[发明专利]电子处理器架构以及缓存数据的方法

说明书

计算机架构提供一种存储器缓存，该存储器缓存直接从运行的进程通过虚拟地址而非通过物理地址进行访问。通过动态地跟踪同义词并且将映射至同一物理地址的有限数目的虚拟同义词连接到专门用于缓存访问的单个关键虚拟地址来处理由于多个虚拟地址映射至单个物理地址导致的歧义。

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年12月26日提交的美国临时申请62/096,962以及2014年12月29日提交的美国临时申请62/097,342的权益，并且其全部内容通过引用被合并到本文中。

技术领域

本发明涉及计算机架构，并且具体地涉及提供允许通过虚拟地址而非物理地址访问缓存内容的存储器缓存的改进的计算机架构。

背景技术

缓存存储器用于通过靠近处理器提供相对紧凑的快速访问的存储器结构来使处理器访问存储器数据所需的时间最小化。主存储器的部分被加载到缓存存储器中，期望时间上接近的存储器访问会倾向于聚集在加载部分(引用位置)中，从而允许缓存存储器一旦被加载则在需要重新加载之前服务由处理器进行的多个存储器访问。通常，可以使用多级缓存(例如L1、L2、L3)来优化缓存结构中固有的快速访问与有限存储之间的折衷。

为了访问缓存存储器中的数据，数据的第一组地址位的一组位——通常被称为索引位——用于索引到缓存中并在索引条目处选择一行。然后，将第二组地址位的一组位(通常被称为标签位)与选定条目对应的标签位组进行比较，并且如果第二组地址位的该组位与选定组的标签位匹配，则表明命中。

在现代处理器上运行的程序通常使用与存储器中的数据的物理地址不同的虚拟地址来访问(读或写)存储器。虚拟地址的使用通过以下大大简化了运行多个程序：允许它们查看不受其他进程分配影响的连续内存空间；允许物理内存只分配给现用虚拟地址；并且如本领域已知的，防止一个进程的内存空间被其它进程的操作破坏。

虚拟地址空间的使用尽管有其优点，但是通过要求从由程序使用的虚拟地址空间到计算机存储器所需要的物理地址空间的转换增加了访问存储器的延迟。通常，这种转换借助于具有将每个虚拟地址空间交叉引用到物理地址空间的条目的页表来完成。通常，页表条目也可以包含相应的虚拟页面中的数据的访问权限。页表可以通过转换后备缓冲器(TLB)来扩大，该转换后备缓冲器(TLB)用于缓存来自页表的最近访问的条目，以加速转换地址并检查必需的访问权限的进程。可以通过采用快速的高度相关联的结构来针对低访问延迟和低缺失率对TLB进行优化。

在具有虚拟存储器的系统中，缓存存储器虽然通常通过物理存储器地址来访问，也就是说，用于访问缓存中的数据的第一组地址位和第二组地址位(例如索引和标签)是同一物理地址的两部分。虽然使用TLB和页表的地址转换的延迟对于主存储器而言能够容忍，但是这与旨在提供频繁和快速访问的缓存存储器一起使用时更加繁重，其中，访问会由于地址转换而显著地减慢。此外，使用高度相关联的TLB的转换将耗能多。

理想地，可以使用来自程序的虚拟地址来直接访问缓存，也就是说，用于访问缓存中的数据的第一组位和第二组位(例如索引和标签)是同一虚拟地址的两部分。使用虚拟地址访问缓存的数据可以避免由于TLB查找引起的延迟和能量开销；然而，这由于同义词的可能性而复杂，同义词是映射至同一物理地址的一组不同的虚拟地址。这种混叠(或重叠)对于有效地管理(物理或主)存储器中的数据例如具有不同虚拟地址空间的跨不同进程的共享信息是可行和期望的。在这种情况下，使用缓存的虚拟编址可以许可多个不同的缓存条目映射至同一物理地址(同义词虚拟地址)，即，在不同的虚拟地址下保持相同的数据。允许重复减少了缓存容量。这也呈现了它们之间的一致性问题。例如，如果一个进程使用第一缓存位置来更新与公共物理地址相关联的数据，则第二进程不能使用第二缓存位置来读取公共物理地址的最新值。