[发明专利]带有高速缓冲存储器的数据处理器

说明书

高速缓冲存储器通常用于加速主存储器中的数据存取。各个高速缓冲存储器单元可被用作大量主存储器存储单元中选定某个单元的位置标志符。当主存储器地址被指定存取数据时，高速缓冲存储器要确定一个能用作主存储器存储单元位置标志符的高速缓冲存储器单元，主存储器存储单元由主存储器地址进行编址。高速缓冲存储器单元相继地用于替代主存储器存储单元。

从主存储器地址中确定出高速缓冲存储器单元被称为地址映射。高速缓冲存储器使用的地址映射类型是高速缓冲存储器一项重要的设计参数。在完全关联高速缓冲存储器、成组关联高速缓冲存储器和直接映射高速缓冲存储器分别使用了不同类型的地址映射方式。完全关联高速缓冲存储器包括地址映射单元，它能将每个主存储器地址(或存储块地址)映射到任意高速缓冲存储器存储单元(或存储单元块)上。对于一个给定的主存储器地址，这要求地址映射单元要确定哪个(即使有的话)高速缓冲存储器单元目前正与主存储器地址相关联。为实现这一目的，映射单元必须能够实现代价较高的关联存储器功能，这种存储器具有降低存取速度的可能。

另一方面，在直接映射高速缓冲存储器中，无法选择对于哪个高速缓冲存储器单元去对应于一个主存储器地址：即给定的主存储器地址只能映射到唯一的高速缓冲存储器存储单元上。因而，直接高速缓冲存储器中的地址映射单元可以轻易地确定所需要的高速缓冲存储器存储单元。然而，当高速缓冲存储器存储单元已为另一个主存储器地址所使用时，那么这个另外的主存储器地址所对应的数据—即使数据还有用—也必需从高速缓冲存储器中被删除。与完全关联高速缓冲存储器能够存储任意主存储器地址组合中的数据的特点相比，这正是其弱势所在。

成组关联高速缓冲存储器是直接映射高速缓冲存储器和完全关联高速缓冲存储器之间的折衷方案。成组关联高速缓冲存储器使用了高速缓冲存储器存储单元组(每个组都比整个高速缓冲存储器要小得多)。各个存储器地址都对应一个组。主存储器地址可与高速缓冲存储器存储单元相应组中的任意高速缓冲存储器存储单元相关联。这种做法一方面易于从主存储器地址中确定高速缓冲存储器存储单元，因为关联存储器功能只能在主存储器地址对应组中实现。另一方面，数据必须从高速缓冲存储器中被移除的机会要远少于直接映射高速缓冲存储器，因为可以在组内选择存储器单元，以便主存储器地址组合中的数据可在组中存储。

完全关联高速缓冲存储器、成组关联高速缓冲存储器和直接映射高速缓冲存储器的差别在于相同存储器地址使用的可替换高速缓冲存储器存储单元的数目不同。这个数目是固定的设计参数，完全关联高速缓冲存储器、成组关联高速缓冲存储器直接映射高速缓冲存储器中的这个参数依次减小。该数目越大，需要从高速缓冲存储器中移除有用数据给新数据腾出空间的次数就越少。然而，增大这个数目也会增加高速缓冲存储器的复杂性，降低存取速度。因而，在高速缓冲存储器设计中折衷选择该数目是至关重要的。

该发明的一个目的是增进高速缓冲存储器中地址映射的效率。

该发明的第二个目的是在折衷选择为相同存储地址使用的可替换高速缓冲存储器存储单元的数目时进行优化。

该发明的另一个目的是在不妨碍高速缓冲存储器其它方面使用的情况下实现高速缓冲存储器的实时使用，尤其是借助于确保流高速缓冲存储器的实时操作，在相同高速缓冲存储器中将通用高速缓冲存储器配置与流高速缓冲存储器机制的联合应用，这是本发明的又一目的。

按本发明的数据处理器在权利要求1中详细说明。像在成组关联映射中一样，该数据处理器要限制主存储器地址与高速缓冲存储器存储单元之间的关联数目，其中高速缓冲存储器存储单元需要考虑以确定应被访问的高速缓冲存储器存储单元。对一组关联限定关联搜索，就像成组关联映射中限定到一组一样。在各组中，关联映射可以实现分配给该组的任意高速缓冲存储器存储单元的映射。但是，与成组关联映射相比，高速缓冲存储器存储单元被动态地分配给该组。这样，被分配的存储器单元数目要依据被执行的程序或部分程序确定。该数目至少要在0和非零的高速缓冲存储器单元数目间变化。