[发明专利]一种弱一致性存储模型的数据访存系统和方法

权利要求书

1.一种弱一致性存储模型的数据访存系统，包括至少两个处理器，与所述每个处理器连接的包括至少一作为私有缓存的第一缓存层，以及至少一作为共享缓存的第二缓存层，所述第一缓存层通过片上网络与所述第二缓存层连接；

其特征在于：

所述片上网络，包括一致性访存控制模块、请求应答模块，其中：

所述一致性访存控制模块，用于在处理器间进行访存操作时，控制所述私有缓存和共享缓存在不同访存请求下的状态转换；

所述请求应答模块，用于在所述私有缓存和共享缓存之间传递状态转换的请求和应答数据包。

2.根据权利要求1所述的弱一致性存储模型的数据访存系统，其特征在于，所述第一缓存层的数据结构包括数据域、标签域和状态位；

所述第二缓存层的数据结构包括数据域、标签域、状态位和独占域；

所述独占域，用于标记独占该缓存行数据的处理器号。

3.根据权利要求2所述的弱一致性存储模型的数据访存系统，其特征在于，所述第一缓存层或第二缓存层的状态位的状态为：无效状态，或者共享状态，或者私有状态。

4.根据权利要求3所述的弱一致性存储模型的数据访存系统，其特征在于，所述状态转换的请求和应答数据包，包括读失效、写失效、替换、共享读、独占写、应答、同步请求和应答数据包中的一种。

5.根据权利要求3或4所述的弱一致性存储模型的数据访存系统，其特征在于，所述一致性访存控制模块还包括初始化模块，用于在系统初始化时，对多个处理器第一缓存层和第二缓存层的各行状态进行复位，全部设置为无效状态；并且所有第二缓存层行的独占域值都为表示无独占处理器的预设值。

6.一种弱一致性存储模型数据访存方法，在由多个处理器连接的包括至少一作为私有缓存的第一缓存层，通过片上网络与至少一作为共享缓存的第二缓存层之间进行缓存一致性访存操作，其特征在于，包括如下步骤：

在多个处理器间进行访存操作时，控制所述私有缓存和共享缓存在不同访存请求下的状态转换的步骤；

以及；

在所述私有缓存和共享缓存之间传递状态转换的请求和应答数据包的步骤。

7.根据权利要求6所述的弱一致性存储模型数据访存方法，其特征在于，还包括初始化步骤：

系统初始化时，对多个处理器第一缓存层和第二缓存层的各行状态进行复位，全部设置为无效状态，并且所有第二缓存层行的独占域值都为表示无独占处理器的预设值。

8.根据权利要求6或7所述的弱一致性存储模型数据访存方法，其特征在于，所述状态转换的请求和应答数据包，包括读失效、写失效、替换、共享读、独占写、应答、同步请求和应答数据包中的一种，其中：

所述读失效请求：是由第一缓存层发给第二缓存层的请求，表示在该处理器的第一缓存层发生了读失效，需要从第二缓存层读数据；

所述写失效请求：是由第一缓存层发给第二缓存层的请求，表示在该处理器的第一缓存层发生了写失效，包括对处于无效状态或共享状态缓存行的写操作；

所述替换请求：当处理器向第二缓存层发出所述替换请求时，用于替换第二缓存层中的一缓存行，若该缓存行处于私有状态，则先根据独占域从独占者处理器的第一缓存层取回该缓存行的最新备份，并将独占者处理器置为无效状态，然后把第二缓存层中的最新数据写回处理器的主存，把第二缓存层的缓存行置为无效状态；或者，当处理器只对第一缓存层中的缓存行进行替换时，若该缓存行处于私有状态，则先把最新备份写回第二缓存层，并将第二缓存层的相应行由私有状态置为共享状态，独占域值改为所述表示无独占处理器的预设值，然后将第一缓存层相应行状态位置为无效状态；当对第一缓存层或第二缓存层中处于无效状态或者共享状态的缓存行进行替换时，只需将其状态位统一置为无效即可，无其他特别操作；

所述共享读请求：是由第二缓存层发向独占域中处理器号所标记的处理器的请求，表示此时有其他处理器要对该数据进行读操作；

所述独占写请求：是由第二缓存层发给独占域中处理器号所标记的处理器的请求，表示此时有其他处理器要对该数据进行写操作，其中包含需要改写的数据包；

所述应答：是对于请求的应答，其中包含缓存行中的数据；

所述同步：同步操作。

9.根据权利要求8所述的弱一致性存储模型数据访存方法，其特征在于，所述状态转换，包括如下步骤：

当第一缓存层设置处于无效状态时，表明该行数据无效，对其的访存操作产生第一缓存层失效，处理器转发该访存操作到第二缓存层；

当第一缓存层设置处于共享状态时，表明该行数据在其他处理器的第一缓存层中还存在备份，对其的读操作产生第一缓存层命中，对其的写操作产生第一缓存层失效并转发该访存操作到第二缓存层，到同步信号点时，该缓存行状态由共享状态变为无效状态；

当第一缓存层设置处于私有状态时，表明该行数据由本处理器第一缓存层独占，对其的读写访存操作都会产生第一缓存层命中；当收到独占写请求时，根据请求中的数据包更新缓存行，发送应答并修改状态位为共享状态；当收到共享读请求时，只发送应答不改变状态；当收到替换请求时，发送应答给第二缓存层并置状态位为无效状态，并且第二缓存层相应缓存行状态由私有状态变为共享状态，独占域值改为所述表示无独占处理器的预设值；

当第二缓存层设置处于无效状态时，表明该行数据无效，对其的访存操作产生第二缓存层失效，转发该操作到处理器的主存的访存队列，此时独占域值为所述表示无独占处理器的预设值；如果访存为读操作，从处理器的主存中取回数据后状态位变为共享状态，独占域值保持为所述表示无独占处理器的预设值不变；如果访存为写操作，从主存中取回数据并根据写操作做相应修改后，状态位变为私有状态，独占域值改为发送该写操作的处理器号；

当第二缓存层设置处于共享状态时，表明该行数据可能在多个处理器的第一缓存层中存在备份，不被任何第一缓存层独占，此时独占域值为所述表示无独占处理器的预设值；如果访存为读操作，产生第二缓存层命中，状态位及独占域值都保持不变；如果访存为写操作，产生第二缓存层命中，状态位变为私有状态，独占域值改为发送该写请求的处理器号；

当第二缓存层设置处于私有状态时，表明有且仅有一个处理器的第一缓存层独占该行数据，独占域值为该处理器号，对其的读写访存操作都会产生第二缓存层命中；如果访存为读操作，第二缓存层发送共享读请求给独占者处理器，并且转发独占者处理器返回的应答给发送读操作的请求者处理器；如果访存为写操作，第二缓存层发送独占写请求给独占者处理器，其中包含新的数据包，并且转发独占者处理器返回的应答给发送写操作的请求者处理器，然后独占域值更新为该请求者处理器的处理器号；如果第二缓存层收到替换请求，第二缓存层发送替换请求给相应独占者处理器，等待随后由独占者处理器发送的应答并更新相应数据，将数据写回处理器的主存，状态位设置为失效，独占域值置为“-1”；如果第二缓存层收到独占者处理器第一缓存层被替换时发来的应答数据包，根据数据包更新数据，状态位设置为共享状态，独占域值置为所述表示无独占处理器的预设值。