[发明专利]分级式不可变内容可寻址存储器处理器

说明书

发明领域

本发明涉及计算机存储器管理。

背景

在常规的冯·诺伊曼计算机体系结构中，存储器被构造成大小固定的 单元的线性阵列，按顺序地址进行索引。图1示出此常规体系结构的一个 示例。指令102执行后的结果使存储器104的内容如图所示。虽然此方法 易于实现，而且对于大小固定的应用数据单元应用起来也比较方便，但是 对软件结构和技术提出的要求是处理大小可变且结构化的数据。

对于大小可变的数据，软件通常实现一动态存储器分配器，该动态 存储器分配器在存储器中定位一个至少与所需区域一样大的连续区域。然 而，在长时间执行后，存储空间可能被分割成了较小的区域，以致于即使 可用的存储器总量是充足的，但存储器分配请求仍会失败。诸如生成无用 信息收集程序(generational garbage collector)等机制可以通过复制区域使 之连续的方式来周期性地重新压缩存储器，但当这样的无用信息收集被调 用时会影响应用程序正在进行中的执行，特别是在实时系统中或者在总体 上要求可预测响应的系统中，这是一个不可接受的方面。而且，如果大小 可变的数据项长度增加，则软件必须分配所需大小的新的连续区域并将数 据复制到该新位置，而且使指向旧位置的所有引用变为现在指向该新位置。 为了方便后一动作，一些软件通过大小固定的特定区域引入一个额外的间 接指定级(level of indirection)，该特定区域提供指向大小可变的数据的实 际指针，因此只有单个特定区域需要更新，但这是以每次访问时的额外间 接指定为代价的。

针对大小可变的数据的一种替代方法是使用指针从非连续的存储器单 元来构造大小可变的数据类型(即，使用结构化的数据)。处理结构化的 数据极具挑战性，因为在存在作为结构化数据的特征的复杂指针引用的情 况下是难以确定何时存储器区域可得释放的。访问结构化数据表示下的数 据还需要开销来通过指针间接指定以固定大小可变的数据项中的下一条 目。

对于以多个分离的进程运行的应用程序，因为一般必须将结构化的数 据串行化并将该结果复制到分离的地址空间，然后将其串并转换以便共享 该结构化的数据，所以结构化的数据引入进一步的开销。这之所以发生是 因为，对于作为用来提供进程之间隔离的虚拟地址变换的结果的每个地址 空间而言，用来将数据进行结构化的地址都是唯一的。共享还受到用于地 址变换的存储页的与典型的应用数据单元(例如，32-128字节)相比较大 的粒度(例如，8千字节或更大)的阻碍。结果，应用程序或者被组织成一 个进程内的多个线程，放弃对单独地址的保护，或者在将结构化的数据于 地址空间之间串行化、复制以及串并转换中付出重大代价。

近来的和预期的技术发展使此标准冯·诺伊曼模型的缺点愈加突显问 题。首先，存储器系统性能未跟上增强的处理器性能的步伐，使存储器性 能成为对计算机性能而言越来越具限制性的因素。因此，诸如复制和无用 信息收集等存储器密集型操作变得相应地代价高昂。高速缓冲已是对付处 理器/存储器速度失配的首要方法。然而，随着存储器大小增大、应用对象 更大且更复杂、以及应用程序更数据密集化，高速缓存使用此常规存储器 模型就变得显著地捉襟见肘了。

作为另一个方向，计算机硬件越来越依赖于并行执行以实现性能收 益。特别地，在单个微片上实现多个“核”是可行的，这在允许分享存储 器控制器与高速缓存的同时改善成本效率。然而，由结构化数据引起的额 外复制操作由于数据重复问题导致对高速缓存的使用效率低下。而且，诸 如引用计数更新等额外更新和高速缓存线中与更新的假共享，导致存储器 和高速缓存效能性进一步降低。

作为最终趋势，应用程序变得越来越大且越来越复杂，这得益于存 储器的大小和处理器的性能都在提高，但却增加了维持软件正确性的难度， 特别是还要求持续的改进和特征。与此同时，应用软件采用了越来越时间 攸关、任务攸关、甚至寿命攸关的功能，使应用软件的可靠性变得重要得 多了。

针对这些和其它理由，已考虑了替代的存储器体系结构。例如，在 US 4,989,137中，用户处理器只经由作为存储器管理系统的一个组成部分的 绑定寄存器单元访问存储器。这样一来，存储器管理系统可对用户处理器 隐藏物理存储器组织的低级别细节，改为将逻辑存储器抽象呈现给用户处 理器。在US 4,695,949中描述了块结构存储器，其中为每个块维持引用计 数，从而减轻对频繁的无用信息收集的需要。