KR19990057856A - Low power cache memory device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모든 웨이의 캐쉬 라인이 무효한 경우에 소모되는 불필요한 전력 낭비를 제거한 저전력 캐쉬 메모리 장치를 제공하기 위한 것으로서, 이를 위해 본 발명은 태그 주소를 저장하는 n-웨이 태그 주소 엔트리 블록, 상기 각 엔트리의 유효함을 나타내는 캐쉬 라인 유효 비트를 저장하는 상태 블록, 상기 각 캐쉬 라인의 최근 최소 사용 정보를 저장하는 엘알유 블록 및 데이터를 실제 저장하는 데이터램을 포함하는 캐쉬 메모리 장치에 있어서, 데이터 억세스를 위해 입력되는 물리 주소 중 인덱스 주소에 의해 인덱싱된 상기 상태 블록의 해당 캐쉬 라인 유효 비트들을 논리합하여 캐쉬 인에이블 신호를 출력하는 제1 논리 수단; 상기 캐쉬 인에이블 신호와 엘알유 제어 신호를 논리곱하여 상기 엘알유 블록을 읽기 위한 제1 제어 신호를 출력하는 제2 논리 수단; 상기 캐쉬 인에이블 신호와 태그 주소 엔트리 블록 읽기 신호를 논리곱하여 상기 태그 주소 엔트리 블록을 읽기 위한 제2 제어 신호를 출력하는 제3 논리 수단; 상기 캐쉬 인에이블 신호와 데이터램 읽기 신호를 논리곱하여 상기 데이터램을 읽기 위한 제3 제어 신호를 출력하는 제4 논리 수단을 포함한다.The present invention provides a low-power cache memory device that eliminates unnecessary power waste when all the cache lines of the way are invalid. To this end, the present invention provides an n-way tag address entry block for storing a tag address. A cache memory device comprising: a state block storing a cache line valid bit indicating an entry's validity; an LU block storing recent minimum usage information of each cache line; and a data RAM storing data; First logic means for outputting a cache enable signal by ORing the corresponding cache line valid bits of the state block indexed by an index address among physical addresses inputted for the; Second logic means for outputting a first control signal for reading the Rl block by logically multiplying the cache enable signal and an Ll control signal; Third logic means for outputting a second control signal for reading the tag address entry block by ANDing the cache enable signal and the tag address entry block read signal; And fourth logic means for outputting a third control signal for reading the data RAM by ANDing the cache enable signal and the data RAM read signal.
Description
본 발명은 마이크로프로세서(Microprocessor)에 관한 것으로서, 특히 웨이(way) 구조의 캐쉬(cache)에서 모든 웨이가 무효한(invalid) 경우 캐쉬의 읽기 동작을 제한하는 저전력 캐쉬 메모리 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microprocessor, and more particularly, to a low power cache memory device that limits the read operation of a cache when all the ways are invalid in a way structure cache.
고성능 마이크로프로세서의 경우, 프로세서의 성능 향상을 위해 프로세서 내부에 대용량의 캐시 메모리를 포함하고 있다. 캐시란 잘 알려진 바와 같이, 억세스(access) 속도가 느린 저장 매체(즉, 메인 메모리)에 존재하는 데이터들 중 자주 쓰는 데이터를 억세스 속도가 보다 빠른 저장 매체인 캐시 메모리에 저장해 놓고 필요한 데이터를 보다 빠르게 마이크로프로세서로 전달하여 시스템의 성능 향상을 꾀한 것이다.High-performance microprocessors include a large amount of cache memory inside the processor to improve processor performance. As is well known, a cache stores frequently used data in a slow access storage medium (ie, main memory) in cache memory, which is a faster access medium, and stores necessary data faster. It delivers to the microprocessor to improve the performance of the system.
일반적으로, 데이터 억세스 시 그 데이터가 캐시 메모리에 올라와 있어 메인 메모리의 억세스 없이 그 데이터를 이용할 수 있을 때 이것을 캐시 히트(cache hit)라 하고, 이때 캐시에서 바로 데이터를 가져온다. 캐시 미스(cache miss, 어떤 데이터가 캐시에 올라와 있지 않은 경우)인 경우에는 메인 메모리를 억세스하여 데이터를 가져온다. 또한, 캐시 히트 비율(cache hit rate)을 높이기 위해 최근에는 데이터 저장 장소를 n만큼 늘린 다수개의 웨이(이하, n-way)로 이루어진 캐시 메모리 구조를 사용한다.In general, when data is accessed in the cache memory and the data is available without access to the main memory, this is called a cache hit, and the data is taken directly from the cache. In the case of a cache miss (if no data is in the cache), the main memory is accessed to get the data. In addition, in order to increase the cache hit rate, a cache memory structure including a plurality of ways (hereinafter, referred to as “n-way”) of increasing data storage locations by n is recently used.
응용프로그램의 대부분이 데이터 억세스의 지역적 특성에 의해 통계적으로 높은 캐쉬 히트 비율을 보이지만, 멀티미디어(multimedia) 관련 응용프로그램 등 지역성이 낮은 프로그램 수행이나 시스템 리셋(system reset)시 모든 웨이가 무효한 라인(line)들이 증가함으로써 캐쉬 히트 비율은 상당히 감소하게 된다.Although most of the applications show statistically high cache hit ratios due to the local nature of data access, all the ways are invalid when performing low-local program execution or system reset such as multimedia related applications. ), The cache hit ratio decreases considerably.
이러한 경우에 있어서의 종래 캐쉬 메모리 장치의 읽기 동작을 살펴본다.The read operation of the conventional cache memory device in this case will be described.
도 1은 캐쉬 메모리에 저장된 데이터를 읽기 위해 주소 생성 유닛(address generation unit)으로부터 입력되는 물리 주소(physical address)의 구성을 도시한 것으로, 물리 주소는 필드(field)별로 즉, 태그 주소, 인덱스 주소(index address) 및 바이트 포인터(byte pointer)로 나누어 구성된다.FIG. 1 illustrates a configuration of a physical address input from an address generation unit to read data stored in a cache memory. The physical address is field-specific, that is, a tag address and an index address. It consists of (index address) and byte pointer.
도 2는 종래의 캐쉬 메모리 장치를 개념적으로 도시한 블록도이다. 캐쉬 메모리 읽기 동작을 살펴보면, 먼저 인덱스 주소 및 태그 읽기 신호에 응답하여 n-way 태그 주소 엔트리(tag address entry, 200)를 억세스한 후 태그 주소를 비교하여 태그 히트/미스 신호(201)를 출력하고, 최근 최소 사용 블록(Least recently used, 이하 LRU라 함) 읽기 동작도 수행한다. 최종 히트/미스 판정부(220)에서 상태 블록(state block, 210)의 인덱스 주소에 의해 인덱싱된 캐쉬 라인 유효 비트(valid bit)와 태그 히트/미스 신호(201)를 논리곱하여 태그 히트 웨이(tag hitway, 221) 신호를 생성하여 태그 히트 웨이 신호(221)를 데이터램(dataRAM)으로 출력한다. 그리고, 태그 히트 웨이 신호(221)에 응답하여 미리 인덱스 주소로 읽어 놓은 데이터램의 n-way 출력을 선택한 후 실행 유닛(execution unit)으로 보낸다.2 is a block diagram conceptually illustrating a conventional cache memory device. Referring to the cache memory read operation, first, an n-way tag address entry 200 is accessed in response to an index address and a tag read signal, and then the tag addresses are compared to output a tag hit / miss signal 201. Also, a read recently used block (Least recently used, LRU) is also performed. In the final hit / miss determination unit 220, the tag hit / miss signal 201 is logically multiplied by the cache line valid bit indexed by the index address of the state block 210 and the tag hit / miss signal 201. a hitway signal 221 is generated and the tag hitway signal 221 is output to a dataRAM. Then, in response to the tag heat way signal 221, the n-way output of the data RAM, which has been read to the index address in advance, is selected and sent to the execution unit.
이러한 종래의 캐쉬 메모리 장치에서의 리드 동작은 모든 웨이의 캐쉬 라인이 무효한 경우에 LRU 읽기, 태그 주소 엔트리 읽기 및 데이터램 읽기 동작 등을 불필요하게 수행함으로써 불필요한 전력 낭비를 하는 문제점이 있다.The read operation of the conventional cache memory device has a problem in that unnecessary power is wasted by unnecessarily performing an LRU read, a tag address entry read, and a data RAM read operation when the cache lines of all the ways are invalid.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 모든 웨이의 캐쉬 라인이 무효한 경우에 소모되는 불필요한 전력 낭비를 제거한 저전력 캐쉬 메모리 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a low power cache memory device which eliminates unnecessary power waste when all the cache lines of the way are invalid.
도 1은 물리 주소의 필드별 구성도.1 is a configuration diagram for each field of a physical address.
도 2는 종래의 캐쉬 메모리 장치를 개념적으로 도시한 블록도.2 is a block diagram conceptually illustrating a conventional cache memory device;
도 3은 본 발명의 캐쉬 메모리 장치를 개념적으로 도시한 블록도.3 is a block diagram conceptually illustrating a cache memory device of the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 각 블록의 유효한 인덱스 주소에 대한 타이밍도.4 is a timing diagram for a valid index address of each block in accordance with the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명* Description of the main parts of the drawing
300 : 태그 주소 엔트리 블록 310 : 상태 블록300: tag address entry block 310: status block
320 : LRU 블록 340 : 데이터램320: LRU block 340: data RAM
330 : 최종 히트/미스 판정부330: final hit / miss determination unit
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 태그 주소를 저장하는 n-웨이 태그 주소 엔트리 블록, 상기 각 엔트리의 유효함을 나타내는 캐쉬 라인 유효 비트를 저장하는 상태 블록, 상기 각 캐쉬 라인의 최근 최소 사용 정보를 저장하는 엘알유 블록 및 데이터를 실제 저장하는 데이터램을 포함하는 캐쉬 메모리 장치에 있어서, 데이터 억세스를 위해 입력되는 물리 주소 중 인덱스 주소에 의해 인덱싱된 상기 상태 블록의 해당 캐쉬 라인 유효 비트들을 논리합하여 캐쉬 인에이블 신호를 출력하는 제1 논리 수단; 상기 캐쉬 인에이블 신호와 엘알유 제어 신호를 논리곱하여 상기 엘알유 블록을 읽기 위한 제1 제어 신호를 출력하는 제2 논리 수단; 상기 캐쉬 인에이블 신호와 태그 주소 엔트리 블록 읽기 신호를 논리곱하여 상기 태그 주소 엔트리 블록을 읽기 위한 제2 제어 신호를 출력하는 제3 논리 수단; 및 상기 캐쉬 인에이블 신호와 데이터램 읽기 신호를 논리곱하여 상기 데이터램을 읽기 위한 제3 제어 신호를 출력하는 제4 논리 수단을 포함하여 이루어지는 캐쉬 메모리 장치를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, the present invention provides an n-way tag address entry block for storing a tag address, a status block for storing a cache line valid bit indicating validity of each entry, and a recent minimum usage information of each cache line. A cache memory device including an LU block for storing data and a data RAM for actually storing data, the cache memory device comprising: performing a logical OR of corresponding cache line valid bits of the state block indexed by an index address among physical addresses input for data access; First logic means for outputting an enable signal; Second logic means for outputting a first control signal for reading the Rl block by logically multiplying the cache enable signal and an Ll control signal; Third logic means for outputting a second control signal for reading the tag address entry block by ANDing the cache enable signal and the tag address entry block read signal; And a fourth logic means for performing an AND operation on the cache enable signal and the data RAM read signal to output a third control signal for reading the data RAM.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 살펴본다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 캐쉬 메모리 장치를 개념적으로 도시한 블록도로서, 태그 주소를 저장하는 n-way 태그 주소 엔트리 블록(300), 각 엔트리의 유효함을 나타내는 캐쉬 라인 유효 비트를 저장하는 상태 블록(310), 각 캐쉬 라인의 LRU 정보를 저장하는 LRU 블록(320), 데이터를 실제 저장하는 데이터램(340), 인덱스 주소에 의해 인덱싱된 상태 블록(310)의 해당 캐쉬 라인 유효 비트(311)를 논리합하여 캐쉬 인에이블 신호를 출력하는 논리합 게이트(311), 캐쉬 인에이블 신호와 LRU 읽기 신호를 논리곱하여 LRU 블록을 읽기 위한 제어 신호를 출력하는 제1 논리곱 게이트(331), 캐쉬 인에이블 신호와 태그 읽기 신호를 논리곱하여 태그 주소 엔트리 블록(300)을 읽기 위한 제어 신호를 출력하는 제2 논리곱 게이트(301), 캐쉬 인에이블 신호와 데이터램 읽기 신호를 논리곱하여 데이터램(340)을 읽기 위한 제어 신호를 출력하는 제3 논리곱 게이트(341), 및 상태 블록(310)의 해당 캐쉬 라인 유효 비트(311)와 태그 주소 엔트리(300)로부터 출력되는 태그 히트/미스 신호(302)에 응답하여 최종 태그 히트 웨이 신호를 생성하고, 데이터램(340)으로 출력하는 최종 히트/미스 판정부(330)로 이루어진다.3 is a block diagram conceptually illustrating a cache memory device of the present invention, wherein an n-way tag address entry block 300 storing a tag address and a state block storing a cache line valid bit indicating validity of each entry are shown in FIG. (310), the LRU block 320 to store LRU information of each cache line, the data RAM 340 to actually store the data, the corresponding cache line valid bit 311 of the state block 310 indexed by the index address A logical OR gate 311 that outputs a cache enable signal by OR, a first AND gate 331 that outputs a control signal for reading the LRU block by ANDing the cache enable signal and the LRU read signal, and a cache enable signal. And the second AND gate 301 which outputs a control signal for reading the tag address entry block 300 by ANDing the tag read signal with the AND, and the cache enable signal and the data RAM read signal are ANDed. A third logical AND gate 341 outputting a control signal for reading the tram 340, and a tag hit / miss output from the corresponding cache line valid bit 311 and the tag address entry 300 of the status block 310. The final hit / miss determination unit 330 generates a final tag heat way signal in response to the signal 302 and outputs the final tag heat way signal to the data RAM 340.
일반적으로 상태 블록(310)은 단일 프로세서 모드(single processor mode)만을 지원하는 경우 각 웨이에 1비트의 유효비트를 할당하고, 다중 프로세서 모드(multi processor mode)를 지원하는 x86 구조의 MESI 프로토콜의 경우에는 각 웨이에 2비트를 할당한다. 따라서 일반적인 4-웨이 연관 사상(set associative) 캐쉬 구조에서 상태 블록(210)의 행 피치(row pitch)는 4 또는 8비트로, 행 피치가 짧고, 캐쉬 라인 엔트리 수 또한 7비트의 인덱스 주소로 128개의 엔트리를 가지므로 상태 블록(210)의 억세스 시간은 0.35μm공정에서 2-3ns로 고속 처리가 가능하다.In general, the state block 310 allocates 1 bit of valid bits to each way when supporting only a single processor mode, and in case of an x86-structured MESI protocol supporting a multiprocessor mode Assigns 2 bits to each way. Thus, in a typical four-way set associative cache structure, the row pitch of the state block 210 is 4 or 8 bits, the row pitch is short, and the number of cache line entries is 128 with an address address of 7 bits. Because of the entry, the access time of the state block 210 can be processed at a high speed of 2-3ns in a 0.35μm process.
이 점에 착안하여, 본 발명은 인덱스 주소를 캐쉬 클락의 하강 에지(falling edge, 도 4의 400)에 상태 블록(310)으로 입력하여, 그 인덱스 주소에 의해 인덱싱된 상태 블록(310)의 해당 캐쉬 라인 유효 비트(311)를 먼저 읽어 논리합하여 캐쉬 인에이블 신호를 생성한다. 이때, 모든 웨이의 해당 캐쉬 라인이 모두 무효한 경우 캐쉬 인에이블 신호는 논리 레벨 "0"을 출력하고, LRU/태그 주소 엔트리/데이터램 블록의 각 읽기 제어 신호와 논리곱되어 캐쉬 클락의 상승 에지(rising edge, 도 4의 401)에서 동작하는 LRU/태그 주소 엔트리/데이터램의 동작을 디스에이블한다.In view of this, the present invention inputs an index address to the falling edge of the cache clock (400 in FIG. 4) as the state block 310, and corresponds to the state block 310 indexed by the index address. The cache line valid bit 311 is first read and ORed to generate a cache enable signal. At this time, if all the corresponding cache lines of all the ways are invalid, the cache enable signal outputs a logic level "0", and is logically multiplied with each read control signal of the LRU / tag address entry / dataram block to raise the edge of the cache clock. Disable operation of the LRU / tag address entry / dataram operated at the (rising edge) 401 of FIG. 4.
도 4는 본 발명에 따른 각 블록의 유효한 인덱스 주소에 대한 타이밍도로서, 상태 블록(310)의 정확한 읽기 동작을 위해 주소 생성 유닛이 인덱스 주소를 캐쉬 클락의 상승 에지보다 충분히 먼저 공급해야한다. 즉 캐쉬 클락의 하강 에지에 인덱스 주소를 변화시켜 반클락 시간 여유를 준다.4 is a timing diagram of a valid index address of each block according to the present invention, in which an address generating unit must supply an index address sufficiently before the rising edge of the cache clock for an accurate read operation of the state block 310. In other words, the index address is changed on the falling edge of the cache clock to give a half clock time margin.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes can be made in the art without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 상태 블록을 먼저 읽어 모든 웨이의 캐쉬 라인 엔트리의 유효함을 체크한 후 LRU/태그 주소 엔트리/데이터램 블록의 동작을 인에이블함으로써, 불필요한 전력소비를 제거하여 저전력 캐쉬 동작 수행을 가능하게 하였다.According to the present invention as described above, the state block is read first to check the validity of the cache line entries of all the ways, and then the operation of the LRU / tag address entry / dataram block is enabled, thereby eliminating unnecessary power consumption and thus low power cache. It was possible to perform the operation.
또한, 추가적인 회로의 가중이 미소하여 면적의 측면에서도 종래의 캐쉬 메모리 장치와 별 차이가 없어 모든 칩의 캐쉬 메모리에 적용가능하다.In addition, since the weight of the additional circuit is small, it is possible to apply it to the cache memory of all chips because there is no difference from the conventional cache memory device in terms of area.
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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KR1019970077935A KR19990057856A (en) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Low power cache memory device |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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KR19990057856A true KR19990057856A (en) | 1999-07-15 |
Family
ID=66172196
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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KR1019970077935A KR19990057856A (en) | 1997-12-30 | 1997-12-30 | Low power cache memory device |
Country Status (1)
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KR (1) | KR19990057856A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100395756B1 (en) * | 2001-06-16 | 2003-08-21 | 삼성전자주식회사 | Cache memory and microprocessor using this cache memory |
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-
1997
- 1997-12-30 KR KR1019970077935A patent/KR19990057856A/en not_active Application Discontinuation
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