JP2006164077A - Memory system, control method therefor and method for maintaining data coherency - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、一般的にはメモリ・システムとその制御方法に関し、特にデータ・コヒーレンシを保ちつつバスを介したメモリへのライト・アクセスを効率化する方法に関する。 The present invention generally relates to a memory system and a control method thereof, and more particularly to a method for improving the efficiency of write access to a memory via a bus while maintaining data coherency.
パーソナル・コンピュータ(PC)などのシステムでは、バスを介してCPUやメモリ(DRAM等)等のデバイスが相互に接続する。各デバイスは、マスタ・デバイス(バス・マスタ)となって、データが記憶されるメモリにアクセスする。DRAMなどのメモリ(システム・メモリ)は大きな記憶容量を持っているが、そのアクセス速度は遅い。頻繁に利用するデータへのアクセスの高速化を図るため、CPUはSRAM等からなるキャッシュ・メモリ(以下、単に”キャッシュ”と呼ぶ。)を使用する。キャッシュは、記憶容量は小さいが、DRAMなどのシステム・メモリに比べて高速アクセスが可能である。 In a system such as a personal computer (PC), devices such as a CPU and a memory (DRAM and the like) are connected to each other via a bus. Each device becomes a master device (bus master) and accesses a memory in which data is stored. A memory such as a DRAM (system memory) has a large storage capacity, but its access speed is slow. In order to increase the speed of access to frequently used data, the CPU uses a cache memory (hereinafter simply referred to as “cache”) such as SRAM. The cache has a small storage capacity, but can be accessed at a higher speed than a system memory such as a DRAM.
キャッシュを有するシステムでは、キャッシュとメイン・メモリとの間でコヒーレンシ(データの同一性)を保つ必要がある。このデータ・コヒーレンシを保つための方式(アルゴリズム)としてスヌープ(snoop)方式がある。図1は従来のスヌープ動作を説明するための図である。図1ではCPUバス1とシステムバス2がバスブリッジ3で接続する。CPUバス1にはCPU#0とCPU#2が接続する。2つのCPUはキャッシュを有している。システムバス2にはデバイス#2とメモリ・コントローラおよびメモリが接続する。
In a system having a cache, it is necessary to maintain coherency (data identity) between the cache and the main memory. As a method (algorithm) for maintaining this data coherency, there is a snoop method. FIG. 1 is a diagram for explaining a conventional snoop operation. In FIG. 1, the
スヌープ方式では、キャッシュを持つCPU#0は、他のデバイス#2(マスタ・デバイス)からのデータ・アクセス4のアドレスを監視(スヌープ5)する(図1(a))。CPU#0は、そのアクセス・アドレスが自己のキャッシュ内のデータのアドレスと一致し、かつデータ状態が標準MESIプロトコル等で変更(更新)済みである場合、リトライ要求6を出す(図1(b))。リトライ要求6に応じて、マスタデバイス#2の進行中のアクセスが中断される(図1(b))。さらに、キャッシュ内の一致したアドレスを含む連続するアドレスの複数データで構成されるキャッシュ・ラインがメモリに先に書き戻される(図1(c)、(d))。その後、マスタデバイス#2が再度メモリにアクセスしてデータを転送することで、データのコヒーレンシが保たれる(図1(e)、(f))。
In the snoop method, the
図1の動作から明らかなように、監視している(スヌープ)デバイスからのリトライ要求が発生すると、転送途中のデバイスはアクセスを中断し、その後再度アクセスする必要がある。すなわち、ライト・アクセスでのスヌープ・ヒットによるオーバーヘッドが発生する。この動作により、バス利用率の低下や、デバイスの待ち時間の増加が生ずる。 As is apparent from the operation of FIG. 1, when a retry request from a monitored (snoop) device occurs, the device in the middle of transfer needs to interrupt access and then access again. That is, overhead due to a snoop hit in write access occurs. This operation causes a decrease in bus utilization and an increase in device waiting time.
スヌープ方式を利用するマルチ・プロセッサ・システムにおいて、メモリ・アクセスの高速化を図るための従来技術が、例えば、日本国の公開特許公報06-222993に開示されている。しかし、この公報は、スヌープ・ヒットした場合のアクセス・リトライによる動作遅延やバス利用率の低下を改善する技術を開示するものではない。
本発明の目的は、データ・コヒーレンシを保ちつつ、ライト・アクセスを含むメモリ・アクセスの効率化を図ることである。 An object of the present invention is to improve the efficiency of memory access including write access while maintaining data coherency.
本発明の目的は、スヌープ・モードにおいて、ライト・アクセスでのキャッシュ・ヒット(スヌープ・ヒット)が生じた場合に、アクセス・リトライ時のオーバーヘッドによる不具合(動作遅延、バス利用率の低下など)を軽減することである。 An object of the present invention is to solve a problem (operation delay, a decrease in bus utilization, etc.) due to an overhead at the time of access retry when a cache hit (snoop hit) occurs in write access in the snoop mode. It is to reduce.
本発明は、バスと、バスに接続するメモリ、メモリ・コントローラ、キャッシュを有する第1デバイス、および第2デバイスを備え、メモリ・コントローラは、キャッシュのデータおよび第2デバイスがメモリにライト・アクセスする場合におけるライト・データを一時記憶するためのバッファを含むことを特徴とするメモリ・システムを提供する。 The present invention comprises a bus, a memory connected to the bus, a memory controller, a first device having a cache, and a second device, wherein the memory controller has write access to the data in the cache and the second device. A memory system is provided that includes a buffer for temporarily storing write data in a case.
本発明は、メモリ・コントローラのバッファに、キャッシュのデータおよび第2デバイスがメモリにライト・アクセスする場合におけるライト・データを一時記憶することにより、第2デバイスのライト・アクセス・リトライをなくし、同時にデータ・コヒーレンシを保つことができる。 The present invention eliminates the write access retry of the second device by temporarily storing the cache data and the write data when the second device performs write access to the memory in the buffer of the memory controller. Data coherency can be maintained.
本発明は、ライト・アクセス・リトライをなくすことができるので、オーバーヘッドによる不具合(動作遅延、バス利用率の低下など)を軽減することができる。 Since the present invention can eliminate the write access retry, it is possible to reduce problems caused by overhead (such as an operation delay and a decrease in bus utilization).
本発明について図面を引用しながら説明する。図2は、本発明の方法(動作)の概要を説明するための図である。図2ではCPUバス10とシステムバス12がバスブリッジ13で接続する。CPUバス10にはCPU#0(13)とCPU#2(14)が接続する。2つのCPUはキャッシュを有している。システムバス12にはデバイス#2(15)とメモリ・コントローラ(16)およびメモリ(17)が接続する。メモリ(17)はDRAMなどのシステム・メモリである。メモリ・コントローラ(16)はデータの一時記憶用のバッファ20を持つ。なお、図2ではCPUバス10とシステムバス12の2つのバスが存在する構成を示しているが、1つのシステムバスに各デバイスが接続する構成であってもよい。また、接続するデバイス数は、バスを占有可能なマスタデバイスが最低2以上あればいくつであってもかまわない。
The present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a diagram for explaining the outline of the method (operation) of the present invention. In FIG. 2, the
スヌープ方式では、キャッシュを持つCPU#0(13)は、他のマスタデバイス#2(15)からのデータ・アクセス18のアドレスを監視(スヌープ19)する(図2(a))。CPU#0(13)は、そのアクセス・アドレスが自己のキャッシュ内のデータのアドレスと一致し、かつデータ状態が標準MESIプロトコル等で変更(更新)済みである場合、リトライ要求6を出すが、マスタデバイス#2(15)は進行中のアクセスを中断しない。デバイス#2(15)はライト・データをメモリ・コントローラ内のバッファ20に書き込む(図2(b))。CPU#0のキャッシュ内の一致したアドレスのデータがバッファ20に書き戻される(図2(c)、(d))。その後、バッファ20のライト・データおよびキャッシュ・データが1つの連続するデータとしてメモリ(17)に書き込まれる(図1(d))。
In the snoop method, the CPU # 0 (13) having a cache monitors (snoop 19) the address of the
このように、本発明では、ライト・アクセス時のスヌープ・ヒットによるリトライ要求に対応したバス・アクセスの中断を必要としない。キャッシュ・データの書き戻し処理を後回しにして、メモリコントローラ内のバッファに一時記憶することにより、データコヒーレンシを維持する。これにより、図1の従来方式に比べて、システムバス11上のアービトレーション(arbitration)やアドレスフェーズを削減できる。さらに、メモリコントローラ16とメモリ17間のメモリバスにおいても、3回のRASアドレス転送、2回のCASアドレス転送、2回のデータ転送期間(連続データ転送を1期間として数えた場合)を、それぞれ1回に削減できる。ライトアクセスの開始から完了までを考えた場合、バス構成やメモリのスピードに依存するが、約20〜30%のアクセス時間の削減が可能となる。
Thus, in the present invention, it is not necessary to interrupt bus access corresponding to a retry request due to a snoop hit at the time of write access. Data coherency is maintained by postponing the cache data write-back process and temporarily storing it in a buffer in the memory controller. As a result, the arbitration and address phase on the
図3は本発明の構成を示す機能ブロック図である。図3は、リトライ制御回路101、アービトレーション回路102、メモリ・コントローラ104、タグ制御回路106、バッファ108を含む。なお、タグ制御回路106とバッファ108は実際にはメモリ・コントローラ104に内臓されるが、説明のために異なるブロックとして記載している。これらの回路はいずれもシステム・バス(図2の11)に接続する。
FIG. 3 is a functional block diagram showing the configuration of the present invention. FIG. 3 includes a
リトライ制御回路101は、アドレスリトライ信号を監視し、他のデバイスへの分配をする回路である。ライトアクセス時のスヌープヒットによるリトライ信号入力があった場合、リトライ出力をアサート(assert)せず、Retry-Hold信号及び、対応するPriority信号をアサートする。ライトアクセス時のスヌープヒット以外におけるリトライ入力は、そのままリトライ出力とする。アービトレーション回路102は、リトライ制御回路101からのPriority信号に対応して、デバイスのからのリクエストを最優先にする機能を持つ。Priority信号が無い場合は、通常のアービトレーションを行う。メモリ・コントローラ104は、メモリのタイミングをコントロールする。通常のDRAMコントロール回路が該当する。アクセス終了時にAccess Complete信号を出力する。
The
タグ制御回路106は、スヌープヒット時のライト・データについて、バッファ108内の書き込みデータ位置を記録する。バッファ108はキャシュラインサイズ(例えば32バイト)と同じサイズを単位としている。したがって、例えば32バイトのキャッシュ・ラインの場合、下位5ビット(2の5乗=32)の対応する位置がデータ位置として記録される。さらに、タグ制御回路106は、その後に続くキャッシュからのデータ(キャッシュアウトデータ)を、バッファ108のライトデータ以外に書き込むためのWrite Strobe信号を発生する。また、タグ制御回路106は、キャッシュアウトデータをバッファ108にラッチした後に、メモリへの書き込むためのOutput Select信号を発生する。バッファ108は、タグ制御回路106のWrite Strobe信号により、バス上のデータ(ライト・データ、キャッシュアウトデータ)をラッチする。また、バッファ108は、Output Select信号により、ラッチしたデータをメモリへ出力する。
The
図3の各信号の説明を以下に示す。
・Retry-Hold :ライトアクセス時のリトライを受け付けた事を示す。
キャッシュアウトアクセスが終了したときにクリアされる。
・Priority-X :ライトアクセス時のリトライを受け付けた時に、次のアク
セスがリトライ発行デバイスとなるようにデバイス-X の
プライオリティを最高にする信号
・Access Complete:メモリアクセスサイクルの終了を示す信号
・Data Strobe :バスからのデータ入力及び、メモリへのデータ出力の
タイミング信号
・Data DIR :データの転送方向を示す信号
・Write Strobe :アドレス、バイトイネーブルにより、どのバイトをラッ
チするか指定する信号
・Output Select :メモリライト時に、どのデータを出力するのかを指定する
信号
・Bus Request :各デバイスからのバスリクエスト信号
・Bus Grant :各デバイスへのバスグラント信号
・Retry from X :キャッシュ付きデバイス-X からのリトライ信号
・Retry to X :デバイス-X へのリトライ信号
A description of each signal in FIG. 3 is given below.
-Retry-Hold: Indicates that a retry for write access has been accepted.
Cleared when cache-out access ends.
・ Priority-X: When a retry for write access is accepted, the next action
Set the device-X so that the
Signal to maximize priority ・ Access Complete: Signal indicating the end of memory access cycle ・ Data Strobe: Data input from the bus and data output to the memory
Timing signal • Data DIR: Signal indicating the data transfer direction • Write Strobe: Which byte is racked by address and byte enable
Signal to specify whether to output ・ Output Select: Specify which data is output during memory write
Signals-Bus Request: Bus request signal from each device-Bus Grant: Bus grant signal to each device-Retry from X: Retry signal from cached device-X-Retry to X: Retry signal to device-X
次に、図3の構成における本発明の動作を説明する。
(a)デバイスC(Device#2)は、アービトレーション回路102にBus Request C信号(110)を出力し、その返信としてBus Grant C信号(112)を受け取る。さらに、デバイスC(Device#2)は、メモリへ書き込みをするために、バスにアドレス(Bus Address114)を出力する。
(b)デバイスA(CPU#0)等の各キャッシュは、バス上のアドレス(Bus Address114)を監視(スヌープ)する。
(c)ここで、デバイスA(CPU#0)のキャッシュ中のアドレスがヒット(スヌープ・ヒット)したとすると、デバイスA(CPU#0)はリトライ制御回路101へのRetry from A信号(116)を活性化する。
(d)リトライ制御回路101は、メモリ・コントローラ104から、デバイスC(Device#2)からのアクセスがライト・アクセスであることを示すWrite Access信号(118)を受け取る。この場合、リトライ制御回路101は、Retry from A信号(116)を受けても、デバイスCのライト・アクセスを中断させるための信号であるRetry to C信号(120)を活性化しない。
(e)リトライ制御回路101は、タグ制御回路106へのRetry Hold信号(122)を活性化する。また、リトライ制御回路101は、Retry from A信号(116)を受け取ったデバイスA(CPU#0)に対応するPriority-A信号(124)をアービトレーション回路102に送る(活性化する)。
Next, the operation of the present invention in the configuration of FIG. 3 will be described.
(A) The device C (Device # 2) outputs the Bus Request C signal (110) to the
(B) Each cache such as device A (CPU # 0) monitors (snoops) an address (Bus Address 114) on the bus.
(C) Here, assuming that the address in the cache of device A (CPU # 0) hits (snoop hit), device A (CPU # 0) sends a Retry from A signal (116) to the retry
(D) The retry
(E) The retry
(f)デバイスC(Device#2)は、Bus Address信号(114)、Byte Enable信号(126)、Bus Control信号(128)を用いて、メモリ・コントローラ104を制御して、Bus Data In(130)上のライト・データをバッファ108へ書き込む。書き込み位置は、メモリ・コントローラ104からのData Strobe信号およびData DIR信号(134)を受けたタグ制御回路106が出力するWrite Strobe信号(136)により指定される。具体的には、書き込み位置は、Bus Address(138)の下位5ビット(32バイト・キャッシュラインの場合)とByte Enable信号(140)のデータ幅に依存する。この時、タグ制御回路106に書き込まれたバイト位置情報が記録される。
(g)メモリ・コントローラ104は、Retry Hold信号(122)を受け取っているので、メモリへの書き込みをせずに、キャッシュからのキャッシュ(データ)・アウトを待つ。また、メモリ・コントローラ104は、デバイスC(Device#2)によるバッファ108への書き込みが終了すると、Access Complete信号(144)をActive(活性)にする。
(h)Retryを要求していたデバイスA(CPU#0)は、キャッシュ・アウトを要求する。Priority-A信号(124)を受け取ったアービトレーション回路102は、デバイスA(CPU#0)からのBus Request A(146)の優先順位を最高位にする。デバイスA(CPU#0)のキャッシュ・アウトは、デバイスC(Device#2)のアクセスの直後に受け付けられる。
(F) The device C (Device # 2) uses the Bus Address signal (114), the Byte Enable signal (126), and the Bus Control signal (128) to control the
(G) Since the
(H) The device A (CPU # 0) that has requested Retry requests cache-out. The
(i)デバイスA(CPU#0)は、スヌープ・ヒットしたデータをバッファ108にキャッシュ・アウトする。この時、Write Strobe信号136によって、先にデバイスCによって書き込まれたデータに上書きしないように書き込み位置が決められる。
(j)デバイスA(CPU#0)によるバッファ108への書き込みが終わると、メモリ・コントローラ104は、Access Complete信号(144)をリトライ制御回路101へ出力する。
(k)リトライ制御回路101は、活性化していたRetry-Hold信号(122)とPriority-A信号(124)を非活性化する。
(l)メモリ・コントローラ104は、バッファ108にラッチされたデータ(ライト・アクセス・データおよびキャッシュ・アウト・データ)をタグ制御回路106のアドレス(TAG)情報に基づき、一連のデータとしてメモリへ書き込む。これにより、データ・コヒーレンシが保たれつつ、ライト・アクセス動作が完了する。
(I) The device A (CPU # 0) caches the snoop hit data out to the
(J) When the writing to the
(K) The retry
(L) The
1、10 CPUバス
2、12 システムバス
3、13 バスブリッジ
4 データ・アクセス
5 スヌープ
6 リトライ要求
13 CPU#0
14 CPU#2
15 デバイス#2
16 メモリ・コントローラ
17 メモリ
20 バッファ
101 リトライ制御回路
102 アービトレーション回路
104 メモリ・コントローラ
106 タグ制御回路
108 バッファ
1, 10
14
15
16
Claims (10)
バスに接続するメモリ、メモリ・コントローラ、キャッシュを有する第1デバイス、および第2デバイスを備え、
メモリ・コントローラは、キャッシュのデータおよび第2デバイスがメモリにライト・アクセスする場合におけるライト・データを一時記憶するためのバッファを含むことを特徴とするメモリ・システム。 With bus,
A memory connected to the bus, a memory controller, a first device having a cache, and a second device;
The memory controller includes a buffer for temporarily storing cache data and write data when the second device performs write access to the memory.
第2デバイスがメモリにライト・アクセスする場合に、メモリ・システムを制御するための方法であって、
(a)ライト・アクセスにおけるライト・データのアドレスとキャッシュ中のデータのアドレスを比較するステップと、
(b)前記2つのアドレスが一致した場合に、キャッシュ中の一致したアドレスのデータ変更の有無を確認するステップと、
(c)前記データ変更がある場合に、第2デバイスにリトライ・アクセスをさせることなく、前記ライト・データをバッファに一時記憶するステップと、
(d)キャッシュ中の前記変更データを、一時記憶された前記ライト・データに上書きすることなく、バッファに一時記憶するステップと、
(e)バッファに一時記憶された前記変更データおよび前記ライト・データを連続するデータとしてメモリに書き込むステップと、
を備える方法。 In a memory system comprising a bus, a memory connected to the bus, a memory controller, a first device having a cache, and a second device, the memory controller having a buffer,
A method for controlling a memory system when a second device has write access to a memory, comprising:
(A) comparing the address of the write data in the write access with the address of the data in the cache;
(B) a step of confirming whether or not there is a data change of the matched address in the cache when the two addresses match;
(C) temporarily storing the write data in a buffer without causing the second device to retry access when the data is changed;
(D) temporarily storing the changed data in the cache in a buffer without overwriting the temporarily stored write data;
(E) writing the change data and the write data temporarily stored in the buffer to the memory as continuous data;
A method comprising:
バス・マスタのライト・アクセスがスヌープ・ヒットし、かつヒットしたキャッシュ・メモリのデータが更新されている場合に、バス・マスタによるアクセス・リトライを発生させることなく、バス・マスタのライト・データおよびキャシュ・メモリの更新データをバッファに一時記憶した後に連続するデータとしてメモリに書き込むステップを備える、方法。 A method for maintaining data coherency in a snoop manner in a system in which a memory, a memory controller having a buffer, a plurality of bus masters, and a cache memory are connected to each other via a bus,
When a bus master write access is snoop hit and the cache memory data hit is updated, the bus master write data and A method comprising: writing cache memory update data into the memory as continuous data after temporarily storing the update data in the buffer.
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