JP2004145780A - マルチプロセッサ・キャッシュ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数のプロセッサで共通のキャッシュメモリを使用する装置において、各プロセッサの識別番号と処理内容とにより優先度を設定する優先度設定テーブル107と、キャッシュに取込んだプロセッサの上記優先度に関する情報をデータ対応にプロセッサ情報として書きこむキャッシュメモリ103と、キャッシュメモリに書きこまれたプロセッサ情報と、優先度設定テーブルの優先度とを比較する優先度比較器108とを備え、ミスヒットしたプロセッサの優先度と上記優先度比較器の優先度の比較によりキャッシュ書き換えを行なう。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、計算やデータ処理に利用し、特にデータアクセスの処理速度向上に好適な、共有キャッシュを有するコンピュータシステムのキャッシュ装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般的なコンピュータシステムでは、高速メモリを持ったプロセッサ内部の専用キャッシュメモリ(上位レベルのメモリ)から大容量・低速の主記憶(下位レベルのメモリ)により記憶階層が作られている。この中で、主記憶へのアクセスは、コンピュータシステムの処理性能を劣化させる主要因になっている。
そのため、プロセッサ内部の専用キャッシュメモリと大容量・低速の主記憶の間にキャッシュメモリを設けており、マルチプロセッサシステムの場合は、全プロセッサ共有で使用するキャッシュメモリを設けることがある。この共有キャッシュメモリは、全プロセッサが平等に使用することを前提に、主記憶へのアクセス頻度を低減している。
【0003】
この共有キャッシュメモリを利用して、処理性能を向上する方式については、マルチプロセッサシステムを前提に各プロセッサのキャッシュメモリを共有使用することで、見かけ上のキャッシュ容量を増大させたシステムがある(特許文献1)。
【0004】
【特許文献1】
特開平1−251250号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術は、上記のように構成されており、全プロセッサが平等に使用することを前提にしているが、実際の各プロセッサは、実行しているプロセスによって優先度が変化するため、システムとして効率良くキャッシュメモリを使用していないという課題がある。
【0006】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、優先度の低いプロセッサが使用したキャッシュラインを優先してリプレースし、優先度の高いプロセッサが使用するキャッシュラインを残すことにより、優先度の高いプロセッサのキャッシュ効率を高め、システムとして効率良くキャッシュメモリを使用する。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るマルチプロセッサ・キャッシュ装置は、複数のプロセッサで共通のキャッシュメモリを使用する装置において、
上記各プロセッサの識別番号と処理内容とにより優先度を設定する優先度決定テーブルと、
上記キャッシュに取込んだプロセッサの上記優先度に関する情報をデータ対応にプロセッサ情報として書きこむキャッシュメモリと、
上記キャッシュメモリに書きこまれたプロセッサ情報と、上記優先度決定テーブルの優先度とを比較する優先度比較器とを備え、
上記キャッシュメモリをミスヒットすると、このミスヒットしたプロセッサの優先度と上記優先度比較器の優先度の比較によりキャッシュ書き換えを行なうようにした。
【0008】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、マルチプロセッサによる共通キャッシュの使用効率を向上した本発明の実施形態を説明する。図1は、本実施の形態におけるマルチプロセッサ・キャッシュ装置を内蔵したコンピュータシステムの構成ブロック図である。図において、キャッシュ装置101、プロセッサインタフェース制御部102、キャッシュメモリ103、ヒット/ミス判定回路104、リプレース選択回路105、プロセッサ情報生成部106、優先度決定テーブル107、リプレース優先度比較器108、プロセッサ情報更新判定部109、主記憶インターフェース制御部110、プロセッサ111a、111b、111c、111n、主記憶112によりシステムは構成される。
【0009】
次に、図1に示したキャッシュ装置101の内部の各機能の概要を説明する。
プロセッサインターフェース制御部102は、プロセッサ111のいづれかからキャッシュ装置101へ任意のアドレスに対するデータのアクセス要求があると、アクセス要求されたアドレスに対するキャッシュラインを求める。キャッシュメモリ103は各ウエイの各キャッシュラインに、プロセッサ情報フィールド、タグフィールド、データフィールドを持っている。ヒット/ミス判定回路104は、プロセッサインタフェース制御部102によって求めたキャッシュライン120と、そのキャッシュラインのタグ情報121から、キャッシュヒット/ミスを各ウエイごとに判定する。なお、アクセス要求されたアドレスに対するデータがキャッシュメモリ内に存在するときにキャッシュヒット、存在しない時にキャッシュミスと呼ぶ。キャッシュミスが発生すると、アクセス要求されたアドレスに対するデータをキャッシュに書込むために、キャッシュ内に現存するデータを追い出さなければならない。
【0010】
リプレース選択回路105は、キャッシュミス時にデータを追い出すウエイの候補の順序を決定するものであり、一般的には、ラウンドロビンやLRUといったアルゴリズムに基づき決定する。プロセッサ情報生成部106は、図2に示すように、アクセス要求をしたプロセッサの識別情報と、そのプロセスの状況をオペレーティングシステム等から得る。
優先度決定テーブル107は、図3に示すように、アクセス要求をしたプロセッサの情報とそのプロセッサのプロセスの全組合わせに対する処理の優先順位を定義している。リプレース優先度比較器108は、キャッシュミスの場合に、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122と、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123と、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125から、最終的にどのウエイのデータを追い出すか決定する。
【0011】
プロセッサ情報更新判定部109は、キャッシュヒットした場合に、ヒット/ミス判定回路104からのキャッシュヒットしたウエイを示す情報126と、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122と、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125から、キャッシュメモリ103内のキャッシュヒットしたウエイのアクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドを優先度の高い情報に書換える。
主記憶インターフェース制御部110は、主記憶112に対してデータのアクセスを制御する。主記憶112は、キャッシュメモリより大容量の記憶装置である。
【0012】
次に、図1から図4を用いて動作の詳細を説明する。
図1において、プロセッサ111a〜111nのいづれかからキャッシュ装置へ任意のアドレスに対するデータのアクセス要求があると、プロセッサ情報生成部106は、このプロセッサの情報を取込む。プロセッサの情報とは、このプロセッサの番号や、リアルタイム処理中のアクセス要求か否かなどのプロセスの実行状態である。図2にプロセッサ情報生成部106で生成する情報のビットアサイン例を示す。図2において、リアルタイム処理ビット200は、プロセッサの実行しているプロセスの状態を示すビットであり、データのアクセス要求を行ったプロセッサがリアルタイム処理中のとき1、それ以外の処理中では0の値が入力される。また、CPU_IDビット201は、アクセス要求を行ったプロセッサのプロセッサ番号が入力される。プロセッサの番号および、プロセッサがリアルタイム処理中であるか否かはオペレーションシステム等によって、プロセッサ情報生成部106に伝達される。
【0013】
図3は優先度決定テーブル107の内容である。優先度決定テーブル107は、プロセッサ情報生成部で生成した情報に対応した優先度を定義している。図3では、例えばプロセッサ情報生成部で生成された情報が100すなわち、CPU番号00のプロセッサからリアルタイム処理中にアクセス要求があったときに優先度は1(最も優先度が高い)となり、CPU番号11のプロセッサからリアルタイム処理以外の期間にアクセス要求があったときに優先度は8(最も優先度が低い)となる。優先度決定テーブル107では、プロセッサ情報生成部106で生成される情報の全ての組合わせが優先度として設定されている。
一方、ヒット/ミス判定回路104によって、キャッシュヒット/ミスの判定が行われ、キャッシュミスの場合は、リプレース優先度比較器108によって、リプレースするウエイを決定する。リプレース優先度比較器108は、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125と、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122と、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123を入力とし、データを追い出すウエイを決定する。
【0014】
図4を用いてリプレース優先度比較器108の動作を説明する。なお、本説明はウエイ数4のキャッシュメモリとして説明しているが、本発明は、ウエイ数が幾つであっても構わない。図4において、優先度算出器A400は、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125から、データアクセス要求に対する優先度を算出する。例えば、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124がIDとしては101の場合は、優先度決定テーブル107内のテーブルから優先度は2となる。優先度算出器B〜E401b〜401eは、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125から、アクセス要求をしたデータに対する優先度を算出する。
【0015】
優先度算出器Bはウエイ0用であり、優先度算出器Cはウエイ1用であり、優先度算出器Dはウエイ2用であり、優先度算出器Eはウエイ3用である。優先度比較器W〜Z402w〜402zは、優先度算出器A400の算出結果と優先度算出器B〜E401b〜401eの算出結果を比較し、優先度算出器A400の算出結果の優先度が優先度算出器B〜E401b〜401eの算出結果の優先度と同じもしくは高い場合には、追い出しの対象である旨を、低い場合には追い出しの対象外である旨を出力する。優先度比較器Wはウエイ0用であり、優先度比較器Xはウエイ1用であり、優先度比較器Yはウエイ2用であり、優先度比較器Zはウエイ3用である。ウエイ確定器403は、優先度比較器W〜Z402からの追い出しの対象か否かの情報と、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123により、データを追い出すウエイを決定し、追い出しウエイ情報410として出力する。
【0016】
図5にウエイ確定器403の処理のフローチャートを示す。リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第1候補のウエイに対する優先度比較器W〜Z402w〜402zの出力結果が、追い出しの対象になっているか調査し(ステップA1)、追い出しの対象になっている場合は、そのウエイを追い出すウエイとして確定する(ステップA2)。追い出しの対象外の場合は、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第2候補のウエイに対する優先度比較器W〜Z402w〜402zの出力結果が、追い出しの対象になっているか調査し(ステップB1)、追い出しの対象になっている場合は、そのウエイを追い出すウエイとして確定する(ステップB2)。追い出しの対象外の場合は、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第3候補のウエイに対する優先度比較器W〜Z402w〜402zの出力結果が、追い出しの対象になっているか調査し(ステップC1)、追い出しの対象になっている場合は、そのウエイを追い出すウエイとして確定する(ステップC2)。
【0017】
追い出しの対象外の場合は、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第4候補のウエイに対する優先度比較器W〜Z402w〜402zの出力結果が、追い出しの対象になっているか調査し(ステップD1)、追い出しの対象になっている場合は、そのウエイを追い出すウエイとして確定する(ステップD2)。追い出しの対象外の場合は、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第1候補のウエイを追い出すウエイとして確定する(ステップE1)。
なお、本説明は、リプレース選択回路105からの追い出すウエイの候補の順序の情報123で、データを追い出す第1候補から順に調査しているが、全候補を同時に調査し、その結果から最終的に追い出すウエイを確定する方式でも構わない。
【0018】
キャッシュメモリ106内のプロセッサ情報フィールドの更新は、キャッシュヒットまたはキャッシュミスにより、タグフィールドやデータフィールドを更新するのと同じタイミングで行う。
ヒット/ミス判定回路104によって、キャッシュヒット/ミスの判定がキャッシュミスの場合は、データを追い出した後に、そのウエイのキャッシュラインに対してプロセッサから要求されたデータを書込むが、このときプロセッサ情報フィールドには、プロセッサ情報生成部106からのプロセッサの情報124を書込む。
【0019】
ヒット/ミス判定回路104によって、キャッシュヒット/ミスの判定がヒットの場合は、プロセッサ情報更新判定部109によって、ヒット/ミス判定回路104からのヒットしたウエイを示す情報126と、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122と、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125からヒットしたキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドの情報を書換えるかどうか判定する。
【0020】
図6を用いてプロセッサ情報更新判定部109の動作を説明する。図6において、優先度算出器F602は、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124と、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125から、データアクセスに対する優先度を算出する。なお、優先度算出器F602は、上記のリプレース優先度比較器108内の優先度算出器A400と同一機能であるので、1つに統合しても構わない。
プロセッサ情報選択器601は、ヒット/ミス判定回路104からのヒットしたウエイを示す情報126と、キャッシュメモリ103内の各ウエイで、アクセス要求のあったキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報122(ウエイ0〜3)からキャッシュヒットしたウエイのプロセッサ情報フィールドの情報を選択する。優先度算出器G603は、優先度決定テーブル107からの優先順位の情報125をもとに、プロセッサ情報選択器601からの情報の優先度を算出する。プロセッサ情報更新判定器604は、優先度算出器F602からの優先度の情報と、優先度算出器G603からの優先度の情報を比較し、どちらが優先度が高いかを判定し、優先度判定結果605として出力する。優先度算出器F602からの優先度が高い場合には、キャッシュヒットしたキャッシュラインのプロセッサ情報フィールドの情報を、プロセッサ情報生成部106からのデータのアクセス要求を行ったプロセッサの情報124に書換える。
【0021】
以上に説明したように構成することによって、本装置は、キャッシュメモリのキャッシュラインごとに、プロセッサIDと処理とによるプロセッサ情報を有し、特に、キャッシュミスにより、キャッシュメモリ内に現存するデータを追い出さなければならない場合、優先度の低いプロセッサが使用したキャッシュラインを優先してリプレースし、優先度の高いプロセッサが要求するデータをキャッシュメモリ内に残すことにより、上記効果によって処理の高速化を保つことができる。
また、キャッシュミスにより、キャッシュメモリ内のデータがリプレースされ、プロセッサから要求されたデータに更新するのに伴い、該当するデータに対するプロセッサの情報も更新するため、キャッシュミスによりキャッシュメモリ内が更新されても、上記、優先度を考慮したキャッシュメモリの共有を継続できる効果がある。
【0022】
また、キャッシュヒットにより、キャッシュメモリ内のプロセッサから要求されたデータをアクセスした場合、前回アクセスしたときのプロセッサの情報、すなわち該当するデータに対してキャッシュメモリ内に保持しているプロセッサの情報と、現在アクセスを要求しているプロセッサの情報を比較し、より優先度の高いプロセッサの情報に書換えることにより、キャッシュヒットによりデータをアクセスしたときにも、上記、優先度を考慮したキャッシュメモリの共有を継続できる効果がある。
【0023】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、優先度決定テーブルと、プロセッサ情報を記憶するキャッシュメモリと、プロセッサ情報によるリプレース優先度比較器を備えたので、マルチプロセッサによる共有キャッシュ装置におけるシステム処理速度を向上できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態1におけるマルチプロセッサ・キャッシュ装置を使用した計算機システムの構成ブロック図である。
【図2】実施の形態1におけるプロセッサ情報生成部が抽出する情報を示す図である。
【図3】実施の形態1における優先度決定テーブルの例を示す図である。
【図4】実施の形態1におけるリプレース優先度比較器の構成を示す図である。
【図5】図4のウエイ確定器の動作を示すフロー図である。
【図6】実施の形態1におけるプロセッサ情報更新判定部の構成を示す図である。
【符号の説明】
101 キャッシュ装置、102 プロセッサインタフェース制御部、103キャッシュメモリ、104 ヒット/ミス判定回路、105 リプレース選択回路、106 プロセッサ情報生成部、107 優先度決定テーブル、108リプレース優先度比較器、109 プロセッサ情報更新判定部、111a,111b,111c,111n プロセッサ、112 主記憶、120 データのアクセス要求を行ったキャッシュラインの情報、121 キャッシュラインのタグ情報、122 プロセッサ情報フィールドからのプロセッサ情報、123 追い出すウエイの候補の順序の情報、124 データのアクセス要求を行ったプロセッサの情報、125 優先順位の情報、126 キャッシュヒットしたウエイを示す情報、200 リアルタイム処理ビット、201 CPU_IDビット、400,401b,401c,401d,401e 優先度算出器、402m,402x,402y,402z 優先度比較器、403 ウエイ確定器、410追い出しを行ったウエイ情報、601 プロセッサ情報選択器、602,603 優先度算出器、604 プロセッサ情報更新判定器、605 優先度判定結果。
Claims (2)
- 複数のプロセッサで共通のキャッシュメモリを使用する装置において、
上記各プロセッサの識別番号と処理内容とにより優先度を設定する優先度決定テーブルと、
上記キャッシュに取込んだプロセッサの上記優先度に関する情報をデータ対応にプロセッサ情報として書きこむキャッシュメモリと、
上記キャッシュメモリに書きこまれたプロセッサ情報と、上記優先度決定テーブルの優先度とを比較する優先度比較器とを備え、
上記キャッシュメモリをミスヒットすると、該ミスヒットしたプロセッサの優先度と上記優先度比較器の優先度の比較によりキャッシュ書き換えを行なうようにしたことを特徴とするマルチプロセッサ・キャッシュ装置。 - 実行プロセッサの設定優先度とキャッシュメモリ中のプロセッサ情報とを比較するプロセッサ情報更新判定部を備えて、
上記実行プロセッサがキャッシュヒットし、かつ該実行プロセッサの優先度が既にキャッシュメモリに書かれたプロセッサ情報の優先度より高い場合は、プロセッサ情報として上記実行プロセッサの優先度に書き換えるようにしたことを特徴とする請求項1記載のマルチプロセッサ・キャッシュ装置。
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