[发明专利]一种可重构缓存产品与方法

说明书

本发明提供了一种可重构缓存产品与方法，应用于处理器领域时能根据配置提供不同数目路组结构的缓存，并将连续地址的指令或数据存储在同一个路组中，便于处理器核获取指令或数据，以减少标签匹配次数。

技术领域

本发明涉及计算机，通讯及集成电路领域。

背景技术

为了提高性能，在现代处理器系统中通常采用缓存暂存主存储器中的指令或数据。存储在缓存中的指令或数据的地址一般分为三个部分：标签(TAG)、索引号(index)和块内偏移量(offset)。缓存一般由标签存储器和数据存储器构成，两者一一对应。其中数据存储器的每一个存储块存储了一个主存块(即指令块或数据块)，标签存储器则存储了对应的存储块地址的标签。按组织形式的不同，缓存通常有三种形式：直接映射(direct map)、全相联(fully associative)和组相联(way-set associative)。

在直接映射的缓存结构里，主存中的每个主存块在高速缓存中只能出现在唯一位置上。在直接映射的情况下，由于每个主存块在高速缓存中仅存在一个位置，因而地址的比较次数仅为一次。直接映射把主存储器分成若干页，主存储器的每一页与高速缓存的容量大小相同，且对应一个标签。根据主存块的地址中的索引号读出对应的标签，并与主存块地址中的标签部分比较，即可确定该索引号对应的存储块中存储的是否就是所述主存块地址对应的主存块。直接映射的缓存结构简单，实现容易，但每个索引号只对应一个存储块，因此直接映射的缓存中无法同时存储两个具有相同索引号的主存块。

在全相联的缓存结构里，一个主存块可以被放到高速缓存中的任何一个地方，即存储块之间，以及存储顺序或保存的存储器地址之间没有直接的关系。高速缓存中可以保存互不相关的数据块，且必须对每个主存块及其自身的地址加以存储。当请求数据时，缓存控制器必须把主存块地址同所有存储在标签存储器中的块地址加以比较，进行确认。

组相联是介于全相联和直接映射之间的一种结构。这种结构将高速缓存分成若干个路组(way-set)，在路组内实现直接映射，而路组与路组间采用全相联方式。这样对于某一个给定的索引号，可以允许有几个块位置，因而可以增加命中率和系统效率。

在上述三种组织结构中，全相联的缓存需要大量的比较器用于比较标签，电路结构复杂导致速度不高；且因所有比较器均同时进行比较，功耗非常大，在现代处理器的大容量缓存中无法实现。直接映射的缓存则因为每个索引号只对应一个存储块的局限，导致频繁替换，效率很低。只能有一个INDEX

组相联的缓存则是现代处理器中最常用的缓存结构。通常路组数越多，缓存的性能越好，但需要同时读出、比较的标签也越多，导致功耗越高，且用于选择数据的选择器也越复杂，导致时延越大；敏感放大器和Y译码器所占的面积都很大，单靠分割位线(bitline)增加路组数代价很高。此外，有些程序由于其本身的特点，较低路组数的缓存就能实现不错的性能。因此，在组相联的缓存结构中，由于不知道会执行什么样的程序，因此很难在缓存性能与硬件成本之间作出平衡的选择。

最后，在直接映射缓存结构及组相联结构的每个路组中，各个存储块的索引号是连续的，且每个索引号只能对应一个存储块，不够灵活。

本发明提出的可重构缓存组织结构能直接解决上述或其他的一个或多个困难。

发明内容

本发明提出了一种可重构缓存产品与方法，其特征在于，缓存的指令或数据存储器中的多个存储块可以构成一个组，且对应同一个标签，形成按组可重构结构；当本次寻址地址与上次寻址地址对应同一个组时，可以省略本次寻址地址的标签比较，直接在该组中找到对应的指令或数据。

可选的，可以将所述缓存中的存储块配置为大小相等或不等的组。

可选的，所述本次寻址地址和上次寻址地址是：两条地址连续的指令本身的地址；或两条被先后执行的数据访问指令分别对应的数据地址；或同一条数据访问指令先后被执行时分别对应的数据地址。