基于64位多核處理器的共享緩存結(jié)構(gòu)電路設(shè)計(jì)

高速緩存作為中央處理器 （CPU） 與主存之間的小規(guī)模快速存儲器，解決了兩者數(shù)據(jù)處理速度的平衡和匹配問題，有助于提高系統(tǒng)整體性能。多處理器 （SMP） 支持共享和私有數(shù)據(jù)的緩存，Cache 一致性協(xié)議用于維護(hù)由于多個(gè)處理器共享數(shù)據(jù)引發(fā)的多處理器數(shù)據(jù)一致性問題。論述了一個(gè)適用于64位多核處理器的共享緩存設(shè)計(jì)，包括如何實(shí)現(xiàn)多處理器緩存一致性及其全定制后端實(shí)現(xiàn)。

0.引言

本文介紹了一種共享高速存儲器模塊的設(shè)計(jì)。該高速存儲器能夠?qū)崿F(xiàn)多核處理器間的數(shù)據(jù)交換，同時(shí)占用較小的電路面積。相比傳統(tǒng)的多核處理器數(shù)據(jù)交換方式，本設(shè)計(jì)可以更好地提升系統(tǒng)性能。是一種有市場競爭力的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

1.共享緩存結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．1 總體考慮

在多核 CPU中共享高速緩存主要負(fù)責(zé)緩存多個(gè)處理器核的數(shù)據(jù)，處理訪問這些數(shù)據(jù)的缺失請求并向 DRAM 控制器發(fā)送請求以獲得 DRAM 返回的數(shù)據(jù)。共享高速緩存通過交叉開關(guān)總線與各個(gè)處理器核互連，通過交叉開關(guān)總線轉(zhuǎn)發(fā)通信數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。共享高速緩存分為四個(gè)緩存組，每個(gè)緩存組采用組相聯(lián)地址映射。每個(gè)處理核心都可以發(fā)送數(shù)據(jù)包到任意一個(gè)緩存組，同數(shù)據(jù)包也可以反方向發(fā)送從任意一個(gè)緩存組到任意一個(gè)處理核心。

共享緩存采用四路組相聯(lián)映射，將緩存分1024 組。緩存塊的物理地址分為3部分，包括標(biāo)簽塊、索引塊以及塊內(nèi)偏移。索引部分用于確定緩存塊所在的組。通過比較物理地址的標(biāo)簽塊和所選中組內(nèi)的四路標(biāo)簽，可以確定訪問的命中或者缺失。在命中時(shí)，比較的結(jié)果作為路選擇向量發(fā)往數(shù)據(jù)陣列。緩存通過路選擇向量和組選擇向量確定

1．2 緩存一致性

對稱式共享存儲器多處理器系統(tǒng)中多處理器2高速緩存子系統(tǒng)共享同一個(gè)物理存儲器，通過總線連接，對于所有的處理器訪問存儲器的時(shí)間一致，即均勻存儲訪問 （UMA）。對稱式共享存儲器系統(tǒng)支持共享和私有數(shù)據(jù)的緩存。私有數(shù)據(jù)被單個(gè)處理器使用，而共享數(shù)據(jù)則被多個(gè)處理器使用，通過讀寫共享數(shù)據(jù)完成處理器之間的通信。共享數(shù)據(jù)在多個(gè)緩存中形成副本，減少了訪問時(shí)延、降低了對存儲器帶寬的要求并減少多個(gè)處理器讀取共享數(shù)據(jù)時(shí)的競爭現(xiàn)象。然而，共享數(shù)據(jù)帶來了緩存一致性問題，實(shí)現(xiàn)緩存一致性關(guān)鍵在于跟蹤所有共享數(shù)據(jù)塊的狀態(tài)。目前為了實(shí)現(xiàn)緩存一致性而廣泛采用的有目錄式以及監(jiān)聽式這兩種協(xié)議。該設(shè)計(jì)采用目錄式緩存一致性協(xié)議 ，把物理存儲器的共享狀態(tài)放在目錄表中，根據(jù)目錄跟蹤哪一個(gè)以及緩存擁有二級緩存塊的副本。一級緩存是寫直達(dá)的，只有無效信息被要求，共享緩存是寫回的，數(shù)據(jù)總可以從共享緩存中重新得到。為減少目錄的開銷，將目錄放在緩存中而不是存儲器中。

當(dāng)一個(gè)塊還未被緩存有 2 種可能的目錄請求：

1） 讀缺失：共享緩存向發(fā)出請求的處理器送回所要求的數(shù)據(jù)，發(fā)送請求的節(jié)點(diǎn)成為唯一的共享節(jié)點(diǎn)。塊的狀態(tài)設(shè)為共享。

2） 寫缺失：向發(fā)出請求的處理器送回?cái)?shù)據(jù)并使它成為共享節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)塊設(shè)為獨(dú)占狀態(tài)，指明這是唯一有效的緩存副本。共享者集合中指明所有者。當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于共享狀態(tài)時(shí)，共享緩存中的值是最新的，有 2 種可能的目錄請求：

1） 讀缺失：共享緩存向發(fā)送請求的處理器送回所要求的數(shù)據(jù)，并將發(fā)送請求的處理器放到共享集中。

2） 寫缺失：向發(fā)送請求的處理器送回?cái)?shù)據(jù)，無效共享集合中的處理器緩存塊，保存發(fā)送請求的處理器標(biāo)識，將數(shù)據(jù)塊設(shè)置成獨(dú)占狀態(tài)。

當(dāng)數(shù)據(jù)塊處于獨(dú)占狀態(tài)時(shí)，塊的當(dāng)前值保存在共享者集所指明的處理器的緩存中，有 3 種可能的目錄請求：

1） 讀缺失：向所有者處理器發(fā)送數(shù)據(jù)消息，將緩存塊狀態(tài)設(shè)為共享。由所有者向目錄發(fā)送數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)寫入共享緩存并發(fā)送回發(fā)出請求的處理器。再將發(fā)出請求的處理器添加到共享者集合中，這時(shí)集合中仍然會有其他所有者處理器。

2） 數(shù)據(jù)寫回：執(zhí)行寫回操作，更新存儲器副本 ，共享者集合為空。

3） 寫缺失：數(shù)據(jù)塊有了新的所有者。向舊的所有者發(fā)送消息，使緩存將該數(shù)據(jù)塊設(shè)置為無效，并把值發(fā)送到目錄中，再通過目錄把數(shù)值發(fā)送到發(fā)出請求的處理器上。發(fā)出請求的處理器成為新的所有者。共享者集合只保留新所有者的標(biāo)識，而塊仍然處于獨(dú)占狀態(tài)。

2.高速共享緩存模塊

用戶RAM大小為2MB，掛接在雙核之間的AHB總線上，兩個(gè)內(nèi)核訪問區(qū)域可以任意配置。其內(nèi)部是一塊 SRAM 和AHB總線從接口電路，如圖2-1所示。讀訪問有一個(gè)周期的延遲，寫訪問無延遲。讀寫訪問時(shí)序見圖2-2、圖2-3。讀寫都支持字節(jié)（byte）訪問、半字（half-word）訪問或字（word）訪問。

用戶RAM所在的地址空間范圍為0xA0000000 ~ 0xA01FFFFF。

圖 2?1 用戶RAM結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)CPU0寫數(shù)據(jù)到用戶RAM，接著CPU1從用戶RAM讀數(shù)據(jù)。這種情況下，CPU0首先寫數(shù)據(jù)，然后將標(biāo)志變量置1，表示用戶RAM內(nèi)的數(shù)據(jù)已更新。標(biāo)志變量地址位于用戶RAM地址范圍內(nèi)。接著CPU1讀標(biāo)志變量，若變量為1，則從用戶RAM內(nèi)對應(yīng)地址讀取CPU0寫入的數(shù)據(jù)，并將標(biāo)志變量置0；若標(biāo)志變量為0，則表示用戶RAM內(nèi)數(shù)據(jù)已被CPU1讀取過。

使用以上方法可實(shí)現(xiàn)核間數(shù)據(jù)交互。由于同一時(shí)刻AHB總線上只能有一個(gè)設(shè)備利用總線進(jìn)行讀寫，所以可以保證讀寫操作的原子性，即標(biāo)志變量不可能被CPU0和CPU1同時(shí)訪問。從而保證了標(biāo)志變量的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1 ］John L 。 Hennessy ， David A. Patterson ， Computer Architecture ： A Quantitative Approach ， Fourth Edition ［ M ］。 Ap professional ，1990

［2 ］ Sun Microsystems Inc. OpenSPARC T1 Microarchitecture Specification［ R］。 2006

［3 ］David A. Patterson ， John L 。 Hennessy ， Computer organization and design［ M ］。 Morgan Kaufmann ，2004

［4 ］ Michael D. Ciletti ， Advanced digital design with the Verilog HDL ［ M ］。 Pearson ，2005

［5 ］周立。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ［ M ］。 北京 ：清華大學(xué)出版 社 ，2006