JP4330236B2 - 半導体集積回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路の中でもキャッシュ機能を搭載した1チップLSIに関する。
【0002】
【従来の技術】
32ビットマイクロコンピュータを組み込んだ機器コントローラ用の1チップLSIが、組込み応用向けとしてデジタル家電、ネットワーク家電向けとして開発されている。
以下の説明では、前記LSIのマイクロプロセッサにあたる部位を“マイコンコア”と称す。
【0003】
ネットワーク家電応用分野においては、計算機処理用によるサービスを実現するためのプログラム規模の増大や、非公開プログラムモジュールなどの組み込み、プログラムモジュールのダウンロードによる組み込みなどによるプログラム環境の変化によって、メモリ保護の重要性が増している。
したがって、マイコンコアでは、メモリ保護機能の実現をサポートするため、以下に示すようなTLB(トランスレーション・ルックアサイド・バッファ)を用いたMMU(メモリ管理ユニット)を搭載している。MMUの実装では、回路の最適化によって、キャッシュアクセスとTLB検索動作の並列実行を1マシンサイクルで実現している。
【0004】
先ず、キャッシュの基本動作を説明する。
図5はマイコンコアのキャッシュのバスを示している。命令アクセスとデータアクセスを並列処理するために命令キャッシュ1とデータキャッシュ2とに分けているが、キャッシュの動作は同じである。ここではデータキャッシュ2の場合を例に挙げて説明する。
【0005】
メモリアクセスのためのアドレス信号の流れは次のようになる。
CPUコア3はバス・インターフェース(以下、BCIFと称す)4を介してデータキャッシュ2にアクセスする。
読み出し時には、CPUコア3からの出力された仮想アドレスは、BCIF4を介し、データTLB5に入力される。
【0006】
仮想アドレスに対応した物理アドレスがデータTLB5にあった場合には、データTLB5はその物理アドレス6ならびにヒット/ミス信号7としてヒット信号を出力する。ヒット信号が出力されない場合はミス信号を出力する。
データTLB5からヒット信号が出力された場合は、データキャッシュ2内のTAG(キャッシュ・メモリ・インデックス)とデータTLB5から出力された物理アドレスとの比較を行う。比較した結果が一致の場合、物理アドレスに対応するデータをデータバスに出力し、データとヒット信号はBCIF4を介し、CPUコア3に入力される。データキャッシュ2からの出力は、データなら64ビット、インストラクションなら32ビットである。
【0007】
書き込み時には、データキャッシュ2のヒット信号の出力まで動作は読み込み時と同じで、バスへのデータの出力の代わりにCPUコア3から予めバスに出力されていたデータをデータキャッシュ2に書き込む。
もう少し詳しくキャッシュ動作を補足する。
図6はデータTLB5とデータキャッシュ2の構成を表わしている。
【0008】
CPUコア3のアドレス生成部8からの出力された仮想アドレスは、BCIF4を介してデータTLB5に入力される。
仮想アドレスはTAG5aでアドレスを比較し、仮想アドレスと対応した物理アドレスがあった場合には、物理アドレスの上位アドレスとヒット信号を出力する。ヒット信号が出力されない場合はミス信号を出力する。また、保護されているメモリに対応する場合は、例外判定信号を出力し、データキャッシュ2からデータを出力しない。
【0009】
一方、下位アドレスは仮想アドレス・物理アドレスとも共通のため、同時に下位アドレスをデータキャッシュ2にも入力する。
データキャッシュ2はTAGメモリモジュール9とキャッシュデータメモリモジュール10を有しており、データキャッシュ2のTAGメモリモジュール9に下位アドレスに対応するアドレスがある場合、下位アドレスに対応する物理アドレスの上位アドレスを出力する。
【0010】
データTLB5のヒット信号があった場合、データキャッシュ2のTAGメモリモジュール9とデータTLB5から出力された物理アドレスの上位アドレスとを2aで比較を行う。
比較した結果が一致の場合、前記キャッシュデータメモリモジュール10からアドレスに対応するデータをデータバスに出力し、ヒット信号をCPUコア3に出力する。
【0011】
データTLB5からヒット信号が出力されない場合、あるいはデータキャッシュ2からヒット信号が出力されない場合には、ミス信号をCPUコア3に出力する。
データTLB5から例外判定が出た場合、データキャッシュ2からデータは出力されず、CPUコア3にて例外処理が実行される。
【0012】
書き込み時は、データキャッシュ2のヒット信号の出力まで動作は読み込み時と同じで、ヒット信号が出力されると、データの出力の代わりに予めCPUコア3からバスに出力されていたデータをデータキャッシュ2に書き込む。データTLB5から例外判定が出た場合、データキャッシュ2へデータは書き込まれず、CPUコア3にて例外処理が実行される。
【0013】
この様にキャッシュ動作を高速化するため、データTLB5での仮想アドレスと物理アドレスの変換とキャッシュ・コントロールにおける一致検出の一部を同時に行っている。
これにより、1サイクル内でキャッシュ動作が可能となっている。特に演算を複数のサイクルで行う場合、メモリとの読み書きを必要とするが、キャッシュ・メモリを使うことでメインメモリとのアクセスを省くことができアクセスによる待ち時間を短縮できる。
【0014】
図7はキャッシュの読み込み動作のアクセスタイミングであり、各ヒット信号がミスを出力すると、そのサイクルの動きはその時点で停止する。図8はキャッシュの書き込み動作(例外処理OK)のアクセスタイミングである。図9はキャッシュの書き込み動作(例外処理NG)のアクセスタイミングである。
「TLBのTAG比較」、「TLBのデータ読み出し」、「キャッシュのTAG比較」、「キャッシュのヒット信号出力」、「キャッシュのデータ出力」を累積した時間がキャッシュ動作の動作時間を決めている。
【0015】
さらに高速化(1マシンサイクル=1周期クロックの短縮)を行うためには、各段階を高速化する必要がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
図10は従来のチップレイアウトを示す。
データ側のみを例に挙げて説明するが、命令側も上記のように同じである。
TLBバス入力11は、データTLB5のTLB・TAG12aとそのI/O12bからなるTLB・TAGモジュール12と、前記BCIF4との間を接続している。TLB・TAG12aはアドレス変換データが格納されているメモリである。
【0017】
データTLB5のTLBデータメモリモジュール14は、データTLB5のTLBバッファ14aとそのI/O14bから構成されている。データキャッシュ2の前記TAGメモリモジュール9は、キャッシュTAG9aとそのI/O9bとで構成されている。キャッシュTAG9aはキャッシュ・インデックスが格納されているメモリである。
【0018】
TLBモジュール14のI/O14bとTAGメモリモジュール9のI/O9bとの間は、TLBバス出力配線13によって接続されている。
キャッシュデータメモリモジュール10はキャッシュ・データが格納されているメモリで、キャッシュデータメモリ10aとI/O10bとで構成されており、TAGメモリモジュール9のI/O9bからキャッシュデータメモリモジュール10のI/O10bには、TAGメモリモジュール9のヒット信号が入力されている。
【0019】
キャッシュ・バス15はBCIF4を介しCPUコア3と接続され、また図5に示すBCU(バスコントロールユニット)16を介して外部バス17と接続されている。
従来のチップレイアウトでは、データTLB5のモジュール12,14とデータキャッシュ2のモジュール9,10を別々のモジュールとして設計し、モジュール間の配線を後に行うため、配線長は長くなる。
【0020】
一般に遅延時間は 0.4・R・C(R:配線抵抗、C:配線容量)で表わされ、R,Cも配線が長くなると大きくなる。
TLBとキャッシュTAG間の信号伝達時間、つまり「TLBデータ読み出し」配線長とキャッシュTAGとキャッシュデータメモリモジュール間の信号伝達時間、つまり「キャッシュHIT信号出力」配線長が高速化の障害となっている。
【0021】
具体的には、TLBデータメモリモジュール14の幅をL,TAGメモリモジュール9の幅を2L,キャッシュデータメモリモジュール10の幅を4L,バスエリア18の幅をAとした場合の、TLBバス出力13の配線長、つまりTLBバスデータ読み出し配線長T1の最大長は、
T1 = A + L + A + A + L + 2L + A
=4A+4L
程度である。
【0022】
本発明は配線長を従来よりも短縮して高速化処理を実現できるチップレイアウトの半導体集積回路を提供することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項1記載の半導体集積回路は、TLBとキャッシュで構成されるキャッシュ機能を搭載した1チップLSIであって、キャッシュを構成するTAGメモリモジュールとキャッシュデータメモリモジュールは前記TAGメモリモジュールの両側に分割して第1,第2のキャッシュデータメモリモジュールを配置し、前記TAGメモリモジュールと前記第1,第2のキャッシュデータメモリモジュールを更に分割して前記TLBの両側に配置し、バスエリアを介して前記TLBの入出力回路に、前記TLBの片側に配置されるTAGメモリモジュールの入出力回路が向かい合うように配置したことを特徴とする。
【0024】
請求項2記載の半導体集積回路は、TLBとキャッシュで構成されるキャッシュ機能を搭載した1チップLSIであって、アドレス変換データが格納されているTLB・TAGモジュールとトランスレーション・ルックアサイドデータが格納されているTLBデータメモリモジュールとによって前記TLBを構成し、キャッシュ・メモリ・インデックスデータが格納されているTAGメモリモジュールとキャッシュデータが格納されているキャッシュデータメモリモジュールとでキャッシュを構成し、前記TAGメモリモジュールを複数に分割し、前記キャッシュデータメモリモジュールを複数に分割し、複数に分割されたTAGメモリモジュールを、TLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールを中央にしてこのTLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールの配列方向の両側に配置し、複数に分割されたキャッシュデータメモリモジュールを、前記複数に分割されたTAGメモリモジュールの両側に分割して配置したことを特徴とする。
【0025】
本発明の請求項3記載の半導体集積回路は、請求項2において、TLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールの配列方向の両側に分割して配置されたキャッシュ群のうちの一方の入出力回路とTLBの入出力回路とが向かい合うように配置したことを特徴とする。
【0026】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施の形態を図1〜図4に基づいて説明する。
なお、各実施の形態においてモジュールの配置を示す図1〜図3においては、実際のブロック間の距離は配線長の試算には無視できるほどに小さい。
(実施の形態1)
図1は(実施の形態1)を示し、図10に示した従来のチップレイアウトが次のように変更して配線長の短縮が達成されている。ここではデータキャッシュ2の場合を例に挙げてチップレイアウトを説明する。
【0027】
図1に示すチップレイアウトでは、データキャッシュ2を構成するTAGメモリモジュール9とキャッシュデータメモリモジュール10は、TAGメモリモジュール9の両側に分割して第1,第2のキャッシュデータメモリモジュール10−1,10−2が配置されている。
第1のキャッシュデータメモリモジュール10−1は、第1のキャッシュデータメモリ19aとI/O19bとで構成されている。第2のキャッシュデータメモリモジュール10−2は、第2のキャッシュデータメモリ20aとI/O20bとで構成されている。
【0028】
バスエリア18を介してデータTLB5の入出力回路12b,14bと前記TAGメモリモジュール9の入出力回路9bと第1,第2のキャッシュデータメモリ10−1,10−2の入出力回路19b,20bとが向かい合うように配置されている。
この場合、第1,第2のキャッシュデータメモリモジュール10−1,10−2は、図10では幅が4Lであったものが幅が2Lに分割されている。バスエリア18はA、TAGメモリモジュール9の寸法は図10と同じく一辺がLである。
【0029】
このようなチップレイアウトにした場合のTLBバス出力のTLBバスデータ読み出し配線長T1の最大値は、例えば、TLBバッファ14aの右端から中央までの(1/2)Lと第1のキャッシュデータメモリ19aの中央から左端までのLとバス幅Aを足した(3/2)L+A程度となる。これは従来例を示す図10におけるT1(最大値)=4L+4Aに比べると短縮されている。
【0030】
次に、キャッシュヒット信号出力の配線長T2を考察する。
キャッシュヒット信号は、TAGメモリモジュール9のI/O9bの両端から出力される。図10に示す従来のチップレイアウトではT2(最大値)=4Lとなっているのに対して、この(実施の形態1)を示す図1では、T4(最大値)=2L程度になり、各々半分に短縮されている。
【0031】
なお、命令アクセスとデータアクセスを並列処理するために命令キャッシュ1とデータキャッシュ2とのうちのデータキャッシュ2の場合を例に挙げてチップレイアウトを説明したが、命令キャッシュ1のチップレイアウトの場合も同じである。
(実施の形態2)
データキャッシュ2の記憶容量が増えて、(実施の形態1)における第1,第2のキャッシュデータメモリ19a,20aのレイアウト寸法の高さvが大きくなると信号伝達時間が問題となってくる。そこで(実施の形態2)を示す図2と図3では、第1,第2のキャッシュデータメモリモジュール10−1,10−2を(実施の形態1)の図1よりさらに2分割して、幅が2Lで高さがv/2の第1〜第4のキャッシュデータメモリモジュール10−1,10−2,10−3,10−4に分割し、データTLB5の片側に第1,第2のキャッシュデータメモリモジュール10−1,10−2を配置し、データTLB5のもう片側に第3,第4のキャッシュデータメモリモジュール10−3,10−4を配置している。さらにこの(実施の形態2)では、データTLB5を構成するTLB・TAGモジュール12とTLBデータメモリモジュール14は、TLBデータメモリモジュール14が幅2L,高さがL/2に形成され、TLB・TAGモジュール12が、幅2L,高さがL/2に形成された第1,第2のTLB・TAGモジュール12−1,12−2に分割されて、TLBデータメモリモジュール14の両側に第1,第2のTLB・TAGモジュール12−1,12−2が配置されている。
【0032】
図2では、第1のキャッシュTAG9−1へのTLBデータ読み出し配線長T1(最大長)は、例えば、TLBデータメモリモジュール14の右端から中央までのLと第1のキャッシュTAG9−1の中央から左端までのLとバス幅Aを足したT1=2L+Aの程度となり、図3では、第2のキャッシュTAG9−2へのTLBデータ読み出し配線長T1(最大長)はT1=(5/2)L+2Aの程度となる。キャッシュヒット信号出力配線長T2(最大長)は2Lと(実施の形態1)の図1と変わらない。
【0033】
第2のキャッシュTAG9−2へのTLBデータ読み出し配線長T1は(5/2)L+2Aの程度と(実施の形態1)の図1の場合よりも長くなるが、キャッシュデータの高さによるキャッシュデータ読み取り時間の方が支配的なら、図3の配置を選択することとなる。
(実施の形態3)
図4は(実施の形態2)におけるアドレス長32ビット、データ長128ビット、TLBのエントリ32、キャッシュのエントリ128の時のチップレイアウトの具体例である。なお、ここでエントリとは、入力されたデータと比較されるデータの登録数である。
【0034】
従来のレイアウトでは第1,第2のTLB・TAGモジュール12−1,12−2の幅が約300μm、TLBバッファ14の幅は約200μm、両者の高さが約300μmであったものが、このレイアウトによると、第1,第2のTLB・TAGモジュール12−1,12−2の幅が各々約300μm、TLBバッファ14の幅が約500μm、両者の高さは約150μmになる。
【0035】
第1,第2のキャッシュTAG9−1,9−2の幅は約400μm、高さは約700μmである。従来はキャッシュデータメモリの幅は約1600μmであるが、本発明では横方向に2分割しているため、第1〜第4のキャッシュデータメモリモジュール10−1〜10−4の幅は約800μm、高さは約700μmである。バスエリアの幅は約100μmである。
【0036】
そこで、TLBTAGとTLBDATAブロックの高さ、幅をL、キャッシュTAGの幅を2L、キャッシュDATAの幅を4L、バスエリアの幅をA(実施例では32本分の配線)と仮定している。
【0037】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、TLBとキャッシュで構成されるキャッシュ機能を搭載した1チップLSIであって、キャッシュを構成するキャッシュTAGとキャッシュデータメモリは前記キャッシュTAGの両側に分割して第1,第2のキャッシュデータメモリを配置し、バスエリアを介して前記データTLBの入出力回路と前記キャッシュTAGの入出力回路と第1,第2のキャッシュデータメモリの入出力回路とが向かい合うように配置したため、配線長を従来よりも短縮して高速化処理が可能な1チップLSIを実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の(実施の形態1)の1チップLSIにおけるキャッシュ部分のチップレイアウト図
【図2】本発明の(実施の形態2)の1チップLSIにおけるキャッシュ部分のチップレイアウト図
【図3】同実施の形態のキャッシュ部分のチップレイアウト図
【図4】本発明の(実施の形態3)の1チップLSIにおけるキャッシュ部分のチップレイアウト図
【図5】従来の1チップLSIにおけるキャッシュ関連バスの構成図
【図6】同従来例のキャッシュ部分の構成図
【図7】同従来例のキャッシュの読み出し系のアクセスタイミング図
【図8】同従来例のキャッシュの書き込み系の例外判定OKの場合のアクセスタイミング図
【図9】同従来例のキャッシュの書き込み系の例外判定NGの場合のアクセスタイミング図
【図10】同従来例の1チップLSIにおけるキャッシュ部分のチップレイアウト図
【符号の説明】
1 命令キャッシュ
2 データキャッシュ
3 CPUコア
4 BCIF(バス・インターフェース)
5 データTLB
8 アドレス生成部
9 TAGメモリモジュール
9−1,9−2 複数に分割されたTAGメモリモジュール
9b TAGメモリモジュール9の入出力回路
10 キャッシュデータメモリモジュール
10−1〜10−4 複数に分割されたキャッシュデータメモリモジュール
12 TLB・TAGモジュール
12−1,12−2 第1,第2のTLB・TAGモジュール
14 TLBデータメモリモジュール
T1 TLBバスデータ読み出し配線長(TLBバス出力13の配線長)
Claims (3)
- TLBとキャッシュで構成されるキャッシュ機能を搭載した1チップLSIであって、
キャッシュを構成するTAGメモリモジュールとキャッシュデータメモリモジュールは前記TAGメモリモジュールの両側に分割して第1,第2のキャッシュデータメモリモジュールを配置し、
前記TAGメモリモジュールと前記第1,第2のキャッシュデータメモリモジュールを更に分割して前記TLBの両側に配置し、
バスエリアを介して前記TLBの入出力回路に、前記TLBの片側に配置されるTAGメモリモジュールの入出力回路が向かい合うように配置した
半導体集積回路。 - TLBとキャッシュで構成されるキャッシュ機能を搭載した1チップLSIであって、
アドレス変換データが格納されているTLB・TAGモジュールとトランスレーション・ルックアサイドデータが格納されているTLBデータメモリモジュールとによって前記TLBを構成し、
キャッシュ・メモリ・インデックスデータが格納されているTAGメモリモジュールとキャッシュデータが格納されているキャッシュデータメモリモジュールとでキャッシュを構成し、
前記TAGメモリモジュールを複数に分割し、前記キャッシュデータメモリモジュールを複数に分割し、
複数に分割されたTAGメモリモジュールを、TLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールを中央にしてこのTLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールの配列方向の両側に配置し、
複数に分割されたキャッシュデータメモリモジュールを、前記複数に分割されたTAGメモリモジュールの両側に分割して配置した
半導体集積回路。 - TLB・TAGモジュールとTLBデータメモリモジュールの配列方向の両側に分割して配置されたキャッシュ群のうちの一方の入出力回路とTLBの入出力回路とが向かい合うように配置した
請求項2記載の半導体集積回路。
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