JP2003099324A - マルチメディアプロセッサ用のストリーミングデータキャッシュ - Google Patents

マルチメディアプロセッサ用のストリーミングデータキャッシュ

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JP2003099324A
JP2003099324A JP2002201010A JP2002201010A JP2003099324A JP 2003099324 A JP2003099324 A JP 2003099324A JP 2002201010 A JP2002201010 A JP 2002201010A JP 2002201010 A JP2002201010 A JP 2002201010A JP 2003099324 A JP2003099324 A JP 2003099324A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 マルチメディアコンピュータオペレーション
の性能を向上するシステムを提供する。 【解決手段】 このシステムは、ストリーミングデータ
キャッシュメモリ30と、バス12と、バス12に結合
されたプロセッサと、バス12および情報外部ソース、
例えば高速通信リンクに結合されたインタフェース回路
20とを備えている。ストリーミングデータキャッシュ
30はメモリ制御装置に結合され、情報外部ソースから
のみのデータを受信する。ストリーミングデータキャッ
シュメモリ30内のデータが、最初にアクセスされた後
に、無効にされると共に再利用されない。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はコンピューティング
システムに関し、特に、マルチメディアアプリケーショ
ンに具体的に適応されるコンピューティングシステムに
関する。その適応にはストリーミングデータを扱うため
の特別なキャッシュメモリの提供が含まれる。
【0002】
【従来の技術】マイクロプロセッサ用のアプリケーショ
ンは急速に増加し続けている。インターネットの出現に
より、世界中のユーザに対してデータの広範囲な有用性
が劇的に増大された。通常、そのようなユーザは、モデ
ムから専用電話回線までの様々な通信リンクを介して、
および、現在では光ファイバケーブルを介して、インタ
ーネットまたは他の通信媒体に接続されている。通信リ
ンクの帯域幅が増大した結果、ユーザが単位時間当たり
これまで以上に大きなデータを受信および送信できるよ
うになる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】そのようなプロセッサ
および通信において特に集中的に使用される1つは、マ
ルチメディアアプリケーションである。マルチメディア
アプリケーションでは、オーディオ形式(例えばMP
3、AAC)、ビデオ形式(例えばMPEG2、MPE
G4)、および他のフォーマットにおける大量データ
が、ユーザのシステムとそのデータのオリジナルソース
との間の通信リンクを通過する。ユーザのシステムが、
これらのデータフォーマットを扱うのに十分な性能を有
するプロセッサを持つことは望ましい。そのようなプロ
セッサから十分な性能を得る1つの方法は、プロセッサ
に供給されるクロック信号の周波数を増大し続けること
であり、それによって単位時間当たり多くの処理工程を
実行可能となり、システムの性能を増大させる。しかし
ながら、不幸なことに、プロセッサに接続される装置、
例えば、システムメモリ、通常はDRAM、または、他
の入力/出力装置のクロック周波数は、このような傾向
に遅れをとってしまった。多くのアプリケーションでは
パッケージングのコストがチップコスト全体を支配する
ため、他の点で望まれる限りでは、入力/出力ピンの数
を増加できない。その結果、プロセッサの必要性とシス
テムの帯域幅との間でのギャップが増大する。
【0004】性能の増大に対しての他のアプローチは、
単一ダイの上に多数のプロセッサを設けることであっ
た。不幸にも、このアプローチは、プロセッサとメモリ
との間でデータ帯域幅の必要性を増大させ、上述した問
題を悪化させる。この問題に対する従来技術の解決法の
1つは、DMA制御装置から直接アクセスを可能にする
スクラッチパッドメモリを含めることである。この技術
の1例は、Hitachi製のSH3−DSPのX/Yメモリで
ある。そのような環境では、データがチップへ直接供給
され、プロセッサがそのデータに迅速にアクセスでき
る。しかしながら、メモリを制御するために、オペレー
ティングシステム、コンプライアー、またはプログラマ
ーは、利用される特定のチップに依存するスクラッチパ
ッドメモリのサイズを知ることを必要とする。一般的に
利用可能なソフトウェアにそのような状況を適応させる
ことは難しい。
【0005】別のアプローチは、プロセッサとI/Oデ
ータとのために分配されたキャッシュメモリを利用する
ことである。しかしながら、I/Oデータがより大きな
ワークセットを有し、そして再利用されない傾向がある
ので、この解決法はキャッシュの汚染をもたらし、プロ
セッサデータを追い出してしまう。さらに別の解決法
は、埋込DRAMを使用することであり、埋込DRAM
内ではメインメモリがプロセッサと同じチップ上に置か
れている。そのようなアプローチは、DRAMの待ち時
間を減少できるので、プロセッサとメインメモリとの間
の帯域幅ギャップを低減でき、そして入力/出力動作に
対するピンの数を増大できる。しかし、チップのプロセ
ッサ部分用の処理技術は、チップのDRAM部分上での
使用にとって望まれる処理技術と異なるので、プロセッ
サをより低周波数で動作してしまうトレードオフにな
る。要求されることは、単一ダイ上で多数のプロセッサ
用のメモリ帯域幅についての問題を解決する解決法であ
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、マルチメディ
アアプリケーションの問題に対して強化された解決法
と、広い帯域幅を備えた通信リンクとの相互作用とを提
供する。一般に、マルチメディアアプリケーション用の
データソースは、外部からインターネットのようなユー
ザシステムを始める「ストリーム」として知られてい
る。ストリーミングデータは再利用されない傾向がある
ので、従来のキャッシュメモリの効率は一般に劣ってい
る。本発明は、異なるタイプのキャッシュメモリをプロ
セッサと同一のダイの上に一般に設ける。本明細書中で
ストリーミングデータキャッシュメモリと呼ぶこの新し
いタイプのキャッシュメモリは、プロセッサとメインメ
モリとの間に配置される。
【0007】一般に、本発明における特別な目的のキャ
ッシュメモリを利用したシステムは、バスと、バスに接
続されたプロセッサと、バスおよび情報外部ソース、例
えば、高速通信リンクに接続されたインタフェース回路
とを備えている。また、メモリ制御装置はバスおよび外
部メモリ制御装置に接続されている。本発明によるスト
リームデータキャッシュメモリはメモリ制御装置に接続
され、そしてキャッシュメモリ自体は、情報外部ソース
から、または、特別なタグ付きのプロセッサからのみデ
ータを受信する。さらに本システムは、ストリーミング
データキャッシュメモリ内でデータが最初にアクセスさ
れた後に、そのデータが無効になって再利用されないよ
うな方法で構成されている。
【0008】
【発明の実施の形態】上述したように、このシステム
は、好ましくはプロセッサと同じ集積チップ上に、スト
リーミングデータ・キャッシュを設けることにより、マ
ルチメディアソフトウェアの効率を向上させる解決法を
提供する。図1は、好適な実施の形態を示すブロック図
である。図1に示すように、集積回路10は、集積回路
上で様々な機能ユニットの間の相互接続を提供するシス
テムバス12を備えている。システムバス12は従来の
バスであることもあり、または、スイッチ系の相互接続
であることもある。バスには、所望の数の中央処理ユニ
ットコア15,16,17,・・・がバスに接続されて
いる。CPUコアは、演算ユニット、命令およびデータ
キャッシュメモリ、浮動小数点ユニット、命令フローユ
ニット、トランザクションルックアサイドバッファ、ま
たは/およびバスインターフェースユニット等を備えて
いることがある。これらコアの構成、および、そのバス
との相互接続はよく知られており、Hitachi製のSH−
5のような多くのRISCプロセッサによって例示され
ている。これらのコアは、TLBの整合性を維持するた
めのバススヌーピングまたは他の特徴のようなマルチプ
ロセッサ機能を提供することがある。また、これらの機
能はよく知られている。
【0009】また、外部メモリインタフェースユニット
(EMI)20がシステムバスに接続されている。この
外部メモリインタフェースユニットは、EMI20に接
続されるDRAMのようなシステムメモリ25を制御す
る。さらに、外部メモリインタフェースユニット20
は、本発明の特徴の1つであるストリーミングデータキ
ャッシュまたはSDキャッシュ30をも制御する。
【0010】また、入力/出力ブリッジ40が同じチッ
プ10上に形成されることが好ましい。ブリッジ40
は、集積回路チップ10上にないモジュールに向けてお
よびモジュールからI/Oリクエストとデータとを送信
する。また、I/Oブリッジ40はこれらの外部モジュ
ールからデータを受信し、外部メモリインタフェース2
0を用いて、そのデータをシステムメインメモリ25内
に置く。インターラプト制御装置45もまた同じチップ
10上に形成されている。インターラプト制御装置45
は、I/Oブリッジ40からの、または、プロセッサチ
ップの外部で他の構成要素からのインターラプト信号を
受信する。インターラプト制御装置は、インターラプト
イベントが生じると、適切なコア15,16または17
に通知する。
【0011】適切なバスまたは通信インタフェースを介
して、I/Oブリッジ40は、プロセッサにデータを供
給する適切な外部ユニットに結合される。これらの外部
ユニットは、データに関してのあらゆる公知なソースを
含めることができる。しかしながら、実例として、ディ
スクユニット60、ローカルエリアネットワーク62、
無線ネットワーク64が図示されている。もちろん、利
用可能なダイスペースにより、これらの外部ユニット6
0,62,64へのインタフェースが、システムの残り
の部分と同じダイ10上に置かれることもある。通常、
DRAM25が、相当量のランダムアクセスメモリから
構成されているため、メモリモジュールの形式で、また
は、外部メモリインタフェース20に接続された個別の
メモリチップの形式で実施されることが好ましい。
【0012】図1は、システムバスおよびI/Oブリッ
ジバス等と様々な構成要素との間での通信を示す一連の
二方向性矢印を伴っている。しかしながら、これらの矢
印に加えて、LANインタフェース62からI/Oブリ
ッジ等へ延びるラインが存在する。このラインは、スト
リーミングデータ(本明細書中では頻繁に「SD」と呼
ばれる)キャッシュ30の動作を図示するために意図さ
れている。ストリーミングデータキャッシュ30はSR
AMメモリから構成されることが好ましい。SRAMメ
モリはリフレッシングを必要としないが、非常に高速で
動作する。図2に示すように、ストリーミングデータキ
ャッシュは非常に大きなラインサイズを有する。例え
ば、1000バイト以上のオーダーで、キャッシュ内の
各ラインは、ストリーミングデータ用の部分およびタグ
用の部分、すなわちストリーミングデータの部分のアド
レスを含んでいる。ストリーミングデータ内のラインの
正確なサイズはある程度任意であり、一般的にオペレー
ティングシステムで制御されるデータのグラニュラリテ
ィー(粒状度)に依存するだろう。システムは、ストリ
ーミングデータキャッシュ内の全てのデータが1度だけ
アクセスされると仮定している。従って、ひとたびデー
タがアクセスされると、ラインは自動的に無効にされ、
キャッシュのラインは、ストリーミングデータキャッシ
ュ30に到着する次の塊のデータに利用可能となる。
【0013】次に、図1を参照しながら、ストリーミン
グデータキャッシュの動作を説明する。まず、コアユニ
ット15、16,17のうち1つが、I/Oブリッジ4
0内で制御レジスタを設定するダイレクトメモリアクセ
スを呼び出すと仮定する。次に、I/Oブリッジ40が
チップからのデータの到着を検出する。ブリッジは、こ
のデータに特別のタグを付けて外部メモリインタフェー
スユニット20に送る。このタグを使って、外部メモリ
インタフェース20に到着するデータがI/Oブリッジ
40から来るが、他のコアのうちの1つのような任意の
オンチップユニットから来ないことを示す。
【0014】外部メモリインタフェースユニットはデー
タを受け取り、そのデータをシステムメモリ25内に書
き込む。さらに、SDキャッシュ30内にエンプティー
ラインがある場合には、外部メモリインタフェース20
がSDキャッシュ30内のエンプティーラインにデータ
を書き込む。SDキャッシュ30内にエンプティーライ
ンがない場合には、EMI20は、このデータをストリ
ーミングデータキャッシュ内に入れようとしない。従っ
て、実際には、ストリーミングデータキャッシュは、使
用されないI/Oデータのヘッドを維持する。
【0015】上述のように、SDキャッシュ30内への
データの書き込み処理は、I/Oバッファが満杯になる
まで継続する。通常、I/Oバッファのサイズは、物理
サイズと全く異なって、論理サイズである。この論理サ
イズは、各I/Oセッション用に決定され、オペレーテ
ィングシステムによって制御される。
【0016】データがSDキャッシュ30内に到着する
と、最終的にデータがキャッシュにおける1つのライン
を完全に充填し、それからそのラインが有効として示さ
れる。1つのラインがいつ完全に充填されたかの決定
は、簡素なカウンタによって実行可能であり、または、
ビットマップのようにより複雑な解決法によって利用可
能である。
【0017】ひとたび1つのラインが有効になると、そ
の情報が外部メモリインタフェース20によりI/Oブ
リッジ40に戻って伝達される。次に、I/Oブリッジ
40が、インターラプト制御装置45によって検出され
たインターラプト信号を送る。制御装置45は、そのイ
ンターラプトイベント情報を適切なコア15,16また
は17に送る。続いて、そのコアがアクティブになり、
新しく到着したデータを処理する手段を講じ始める。
【0018】コアが実行する第1ステップは、外部メモ
リインタフェース20に読み出しリクエストを送ること
によってデータを取り出すことである。この読み出しリ
クエストは、外部メモリインタフェース20にSDキャ
ッシュ30の状態をチェックさせる。SDキャッシュ3
0が、リクエストされたアドレスに関連するデータを有
している場合には、外部メモリインタフェース20はD
RAM25からデータを戻すことよりもむしろ、SDキ
ャッシュ30からコアにデータを戻す。また、これらの
動作が実行されている時に、外部メモリインタフェース
は、キャッシュにおけるこの特定のラインのためにカウ
ンタを減少させる(または、ビットマップ内で対応する
ビットを無効にする)。ひとたびカウンタまたはビット
マップが、キャッシュ内のラインにおける全ての情報が
使用されたことを示すと、外部メモリインタフェースユ
ニット20がキャッシュにおけるそのラインを無効にす
る。
【0019】上述された例では、データがSDキャッシ
ュ30内で使用可能であると仮定された。データがSD
キャッシュ30内で使用不可能である場合には、EMI
20は外部DRAM25からデータを読み取る。従来技
術のキャッシュメモリと異なり、メモリインタフェース
ユニット20は、外部DRAMからこのデータを読み取
る時に、SDキャッシュ30内にコピーを置いていな
い。
【0020】上述したように、本発明は、従来技術の解
決法と異なり、独特の利点を提供する。特に、ストリー
ミングデータキャッシュを用いて、ストリーミングデー
タキャッシュ内にヒットがある場合には、メインメモリ
に読み出しリクエストを行う必要がなくなる。従って、
外部DRAM上、または他のシステムメモリ上での帯域
幅の必要性がより小さくなる。さらに、プロセッサと同
じチップ上のSRAMメモリセルを用いてストリーミン
グデータキャッシュが形成される場合には、そのアクセ
ス待ち時間がDRAMアクセスよりも一層短くなる。こ
れは性能の点で劇的な向上を単独で提供する。さらに、
本発明が実施される特定の構成のために、ストリーミン
グデータキャッシュは、オペレーティングシステムまた
はアプリケーションプログラマーの観点から明らかであ
る。従って、その存在は、ソフトウェアのポータビリテ
ィまたはソフトウェアの開発に影響しない。
【0021】また、ストリーミングデータキャッシュ
は、チップ上に他のアプリケーションを有することもあ
る。例えば、マルチメディアをターゲットにする多くの
マルチプロセッサアプリケーションでは、マイクロプロ
セッサのコアは機能的なパイプラインを提供する。MP
EG2のデコーディングを実施するために、様々なコア
が、異なる動作を実行する。例えば、コア15がVLD
(可変長デコーディング)を実行し、他のコア16がI
DCTを実行し、残りのコアがモーションコンペンセー
ションを実行する。ストリーミングデータキャッシュを
使ってコア間のデータ伝送を加速することもある。その
ような特徴を望む場合には、特別であるが公知の命令を
利用することができる。この特別な命令は適切なコアに
データを、CPUコア15〜17内のデータキャッシュ
から戻してメインメモリ25内に書き込ませる。この命
令が発せられると、書き戻しデータが、システムバス1
2と、特別タグ付きの外部メモリインタフェース20と
を介してDRAMに置かれる。外部メモリインタフェー
ス20がこの特別タグをチェックし、書き戻しデータを
SDキャッシュ30に置く。これにより、SDキャッシ
ュが、CPUコア15〜17の間で通信バッファとして
使用可能になる。例えば、CPUコア15がVLDの実
行を終了し、それからVLD後のデータが上述の特別な
命令を使ってメインメモリ25に押し戻される。そのた
め、VLD後のデータはSDキャッシュに維持される。
IDCTを実行するコア16はVLD後のデータを必要
とするので、外部メモリインタフェース20に読み出し
リクエストを送る。外部メモリインタフェース20はS
Dキャッシュ30の状態をチェックし、そして、外部メ
モリインタフェースにヒットした場合には、SDキャッ
シュからデータを戻す。このようなメカニズムの手助け
により、メモリ帯域幅の必要性が低減される。
【0022】前述は、本発明の好適な実施の形態の説明
であった。添付された請求項によって記載された本発明
の特許請求の範囲から逸脱することなく変更および変形
をなすことができることが理解されよう。
【0023】
【発明の効果】上述したように、本発明は、従来技術の
解決法と異なり、独特の利点を提供する。特に、ストリ
ーミングデータキャッシュを用いて、ストリーミングデ
ータキャッシュ内にヒットがある場合には、メインメモ
リに読み出しリクエストを行う必要がなくなる。従っ
て、外部DRAM上、または他のシステムメモリ上での
帯域幅の必要性がより小さくなる。さらに、プロセッサ
と同じチップ上のSRAMメモリセルを用いてストリー
ミングデータキャッシュが形成される場合には、そのア
クセス待ち時間がDRAMアクセスよりも一層短くな
る。これは性能の点で劇的な向上を単独で提供する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の好適な実施の形態によるシステムを示
すブロック図である。
【図2】図1で示されたストリーミングデータキャッシ
ュの構成を示す詳細な図である。
【符号の説明】
12 システムバス 20 外部メモリインタフェースユニット 25 システムメモリ 30 SDキャッシュ(ストリーミングデータキャッ
シュ)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 バスと、 該バスに接続されたプロセッサと、 前記バスおよび情報外部ソースに結合されたインタフェ
    ース回路と、 前記バスおよび外部メモリに結合されたメモリ制御装置
    と、 該メモリ制御装置に結合され、前記情報外部ソースから
    受信されたデータのみを記憶するキャッシュメモリとを
    有することを特徴とするシステム。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のシステムにおいて、前
    記キャッシュメモリが、前記情報外部ソースから受信さ
    れたデータを記憶し、前記データに最初にアクセスした
    後に前記データが無効にされると共に再利用されないこ
    とを特徴とするシステム。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のシステムにおいて、前
    記キャッシュメモリが、前記プロセッサからの情報を記
    憶するのを防止されることを特徴とするシステム。
  4. 【請求項4】 請求項2に記載のシステムにおいて、前
    記キャッシュメモリが、前記データを記憶するためのラ
    インを備えていることを特徴とするシステム。
  5. 【請求項5】 請求項4に記載のシステムにおいて、タ
    グが、前記情報外部ソースから受信されたデータの各組
    にアドレスを提供することを特徴とするシステム。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載のシステムにおいて、前
    記タグを前記メモリ制御装置内に記憶して、前記データ
    が前記キャッシュメモリおよび前記外部メモリの両方の
    中に記憶されたか否かを示すことを特徴とするシステ
    ム。
  7. 【請求項7】 請求項6に記載のシステムにおいて、前
    記キャッシュメモリのラインが、情報の少なくとも10
    00バイトを保存することを特徴とするシステム。
  8. 【請求項8】 請求項1に記載のシステムにおいて、前
    記プロセッサおよび前記キャッシュメモリが同じ集積回
    路上に形成されていることを特徴とするシステム。
  9. 【請求項9】 バスと、 該バスに結合されたプロセッサと、 前記バスおよび情報外部ソースに結合されたインタフェ
    ース回路と、 前記バスおよび外部メモリに結合されたメモリ制御装置
    と、 該メモリ制御装置に結合されたキャッシュメモリとを有
    し、前記キャッシュメモリが、前記情報外部ソースから
    受信されたデータを記憶し、 前記データに最初にアクセスした後に、前記データが無
    効になると共に再利用されないことを特徴とするシステ
    ム。
  10. 【請求項10】 バスと、 該バスに結合されたプロセッサと、 前記バスおよび情報外部ソースに結合されたインタフェ
    ース回路と、 前記バスおよび外部メモリに結合されたメモリ制御装置
    と、 該メモリ制御装置に結合され、前記情報外部ソースから
    受信されたデータを記憶し、少なくとも1000ビット
    のラインサイズを有するキャッシュメモリとを有するこ
    とを特徴とするシステム。
  11. 【請求項11】 バスと、該バスに結合されたプロセッ
    サと、前記バスおよび情報外部ソースに結合されたイン
    タフェース回路と、前記バスおよび外部メモリに結合さ
    れたメモリ制御装置と、該メモリ制御装置に結合された
    キャッシュメモリとを有するシステムの中で、前記情報
    外部ソースから受信されたストリーミングデータの処理
    を向上する方法であって、 前記情報外部ソースからのデータの到着を検出し、 前記キャッシュメモリおよび前記外部メモリ内に前記デ
    ータを記憶し、 前記データの記憶の完了に応答して、前記プロセッサに
    インターラプト信号を送り、 前記情報外部ソースから受信された前記データを処理す
    ることを特徴とするストリーミングデータ処理の向上方
    法。
  12. 【請求項12】 請求項11に記載の方法において、前
    記キャッシュメモリが、前記情報外部ソースから受信さ
    れたデータのみを記憶することを特徴とするストリーミ
    ングデータ処理の向上方法。
  13. 【請求項13】 請求項12に記載の方法において、前
    記キャッシュメモリのラインが満杯であることを前記メ
    モリ制御装置が示して初めて、データが前記キャッシュ
    メモリ内のラインに記憶されることを特徴とするストリ
    ーミングデータ処理の向上方法。
  14. 【請求項14】 請求項12に記載の方法において、前
    記情報外部ソースから受信された前記データ用のアドレ
    スを示すタグが前記メモリ制御装置内に記憶され、前記
    プロセッサが前記メモリ制御装置をチェックして、前記
    データが前記キャッシュメモリ内に存在するか否かを決
    定することを特徴とするストリーミングデータ処理の向
    上方法。
  15. 【請求項15】 請求項14に記載の方法において、前
    記キャッシュメモリからの前記データの検索に続いて、
    前記キャッシュメモリのラインを無効にするステップが
    実行されることを特徴とするストリーミングデータ処理
    の向上方法。
  16. 【請求項16】 請求項11に記載の方法において、新
    規なデータが前記キャッシュメモリ内に記憶されるべき
    時にエンプティーラインが存在しない場合には、前記キ
    ャッシュメモリ内の前記ラインのうち1つが前記新規な
    データに再利用されることを特徴とするストリーミング
    データ処理の向上方法。
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