JPH08221324A - キャッシュメモリへのアクセス - Google Patents
キャッシュメモリへのアクセスInfo
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- JPH08221324A JPH08221324A JP7333635A JP33363595A JPH08221324A JP H08221324 A JPH08221324 A JP H08221324A JP 7333635 A JP7333635 A JP 7333635A JP 33363595 A JP33363595 A JP 33363595A JP H08221324 A JPH08221324 A JP H08221324A
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- G06F12/08—Addressing or allocation; Relocation in hierarchically structured memory systems, e.g. virtual memory systems
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- G—PHYSICS
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- G06F2212/10—Providing a specific technical effect
- G06F2212/1028—Power efficiency
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- Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
- Y02D10/00—Energy efficient computing, e.g. low power processors, power management or thermal management
Abstract
同時に電力消費を小さくするキャッシュメモリを提供す
る。 【解決手段】 必要なデータ項目のアドレスとタグメモ
リ部分(140)内に記憶しているアドレスデータとを
比較し、一致していれば必要なデータ項目が対応するデ
ータメモリ部分(160)内に記憶されていることを示
すキャッシュメモリ。 (1) 第1モードでは、データメモリ部分(160)
と対応するタグメモリ部分(140)のアドレスが一致
することを確認すると、必要なデータ語を記憶している
データメモリ部分(160)の1つだけを動作可能に
し、(2) 第2モードでは、必要なアドレスとタグメ
モリ部分(140)に記憶されたアドレスとの比較と同
時に2つ以上のデータメモリ部分(160)を動作可能
にし、アドレスの一致を用いてデータメモリ部分(16
0)の1つの出力を選択する。
Description
へのアクセスに関する。
PU)の性能を向上させるのにキャッシュメモリが用い
られている。キャッシュメモリは比較的小型で高速のラ
ンダムアクセスメモリ(RAM)で、CPUが頻繁に必
要とするデータを記憶(格納)するのに用いる。一般に
キャッシュメモリにはCPUから直接アクセスし(たと
えば外部のメモリ管理装置(MMU)を経由せず)、物
理的にCPUの近くに設けてCPUとキャッシュメモリ
の間の信号伝播時間を小さくする。したがって、キャッ
シュメモリとのデータの授受は非常に高速で行われる。
ータ処理装置が処理するデータのほんの一部なので、あ
るデータをキャッシュメモリから読むか、(より遅い)
システムメモリから読むかをCPUは知る必要がある。
したがって、従来のキャッシュメモリの設計には、タグ
メモリと、関連するデータメモリを備えるようにしたも
のがある。タグメモリは、キャッシュメモリに現在記憶
しているデータの項目に関するシステムアドレスを記憶
するのに用いる。あるデータ項目にCPUがアクセスす
るときは、そのデータ項目に関するシステムアドレスと
タグメモリ内のアドレスとを比較する。現在のデータ項
目のアドレスとタグメモリ内のアドレスとが一致した場
合は、CPUはデータメモリ内のそのデータ項目にアク
セスすることができる。
メモリをいくつかの部分に分割し、各データメモリ部分
とタグメモリ部分を対応させる方式のものがある。各タ
グメモリ部分は、対応するデータメモリ部分内に現在保
持されているデータ項目に関係するシステムアドレスを
記憶する。このような設計では、あるデータ項目にCP
Uがアクセスする場合、そのデータ項目に関連するシス
テムアドレスと各タグアドレス部分内のアドレスとを比
較する。一致するものがある場合は、一致したアドレス
を持つタグメモリ部分は対応するデータメモリ部分を起
動し(動作可能すなわちエネイブルにし)、そのデータ
項目の内容を読み出す。他のデータメモリ部分は動作可
能にしない。
式すなわち「アソシアティブ(associative )」キャッ
シュ方式を用いると、キャッシュ「不在(miss)」(す
なわち、必要なデータ項目がキャッシュ内にない)の可
能性が小さくなる。また読出し動作中は必要なデータメ
モリ部分だけに電力を供給するので、電力消費も少な
い。しかしこの方式では、キャッシュにアクセスする度
に、タグメモリの比較を完了してからデータメモリの読
出し動作を始めるという2段階動作を行うので好ましく
ない。この発明の目的は、電力消費もキャッシュメモリ
のアクセス時間も共に向上させることである。
ッシュメモリは、それぞれ1つ以上のデータ語を記憶
し、記憶しているデータ語をエネイブル信号に応答して
出力する、複数のデータメモリ部分と、それぞれ別個の
データメモリ部分に対応し、前記対応するデータメモリ
部分内に記憶している各データ語のメモリアドレスを表
すアドレス情報を記憶する、複数のタグメモリ部分と、
必要なデータ語のメモリアドレスとタグメモリ部分内に
記憶しているアドレス情報とを比較する比較手段であっ
て、前記必要なデータ語を前記データメモリ部分の中に
記憶しているかどうかを表す信号で、記憶している場合
は、必要なデータ語を記憶しているデータメモリ部分を
識別する、一致信号を生成する比較手段、を備え、前記
キャッシュメモリは、少なくとも第1モードと第2モー
ドで選択的に動作し、(1) 第1モードでは、一致信
号に応答して必要なデータ語を記憶しているデータメモ
リ部分の1つだけを動作可能にし、(2) 第2モード
では、比較手段の動作と実質的に同時に2つ以上のデー
タメモリ部分を動作可能にし、一致信号を用いてデータ
メモリ部分の1つの出力を選択する。
タメモリの読出し動作を並行して行い、次にタグメモリ
出力を用いてデータメモリ部分の中の該当するデータを
選択して読み出すので、迅速なアクセスができる。この
ようにして動作を2段階から1段階に減らすことによ
り、アクセス時間はほぼ半分になる。
ス時間を向上させると、キャッシュメモリの電力消費が
大幅に増加するという犠牲を払う。たとえば4部分から
成るキャッシュメモリでは、読出し動作を行う度にデー
タメモリ部分をすべてに電力を供給すると電力消費は約
3.5倍になる。
め、この発明は直列(2段階)モードと並列(1段階)
モードを選択して動作させるキャッシュメモリを提供す
る。並列アクセスはアクセス時間が厳しいときに用い、
ゆっくりした直列アクセスは、たとえばいくつかの必要
なデータ項目が待機状態ですでにバッファされている
(たとえば、プリフェッチ装置内にデータ処理命令がバ
ッファされている)ような場合に用いる。
は、たとえば32ビット語というようないろいろの長さ
のビットのディジタルデータを指す。各データメモリ部
分はデータ語の配列を記憶する。配列内の各データ語の
位置はそのデータ語のメモリアドレスの中の選択された
ビットにより決定するとよい。
の出力を選択するために、キャッシュメモリは各データ
メモリ部分からのデータ出力を受けるマルチプレクサを
備え、このマルチプレクサは一致信号に応答してデータ
メモリ部分の中の1つの出力を選択することが望まし
い。第1モードか第2モードかを選択するには、論理手
段を用いて、第1モード動作では一致信号を別々のエネ
イブル信号としてデータメモリ部分に出し、第2モード
動作ではすべてのデータメモリ部分を動作可能にする方
式が望ましい。特に簡単な実施態様では、この論理手段
は、アクティブ高の一致信号と「第2モード/非第1モ
ード」制御信号とを組み合わせたORゲートの配列でよ
い。
メモリに記憶しているデータにアクセスする中央処理装
置を提供する。中央処理装置は、データ処理命令をキャ
ッシュメモリから先取り(プリフェッチ)してバッファ
するプリフェッチ装置と、プリフェッチ装置に記憶され
た命令に応答し、キャッシュメモリを制御して第1モー
ド動作か第2モード動作で動作させる手段、を備える。
置内にバッファされている場合は、プリフェッチ装置は
第1モードを選択することが望ましい。また、プリフェ
ッチ装置内にバッファされている命令の中に分岐命令が
あることを検出した場合は、プリフェッチ装置は第1モ
ードを選択することが望ましい。またこの発明は、上に
定義したキャッシュメモリと、上に定義した中央処理装
置、を備えるデータ処理装置を提供する。
置(CPU)100と、キャッシュメモリ(RAM)1
10を備える。CPU100とキャッシュメモリ110
は、同じ集積回路上に別個の部品として製作してよい。
図1は、CPUとキャッシュRAMの非常に簡単化した
動作を示す。CPU100はデータ処理命令を実行する
プロセッサコア102と、キャッシュRAM110から
命令を検索してバッファするプリフェッチ装置104を
備える。
4はキャッシュRAM110にアドレスを送り、キャッ
シュRAMから読み出す次の命令を指定する。キャッシ
ュRAMからこの命令を読み出してプリフェッチ装置1
04に戻し、先入れ先出し(FIFO)バッファ内に記
憶する。プロセッサコアはFIFOバッファの出力から
命令を取り出して実行する。
信号と呼ぶ別の信号をキャッシュRAMに送る。この信
号は、キャッシュRAMの動作が直列アクセスモードか
並列アクセスモードかを指定する。プリフェッチ装置1
04による並列/非直列信号の生成と、並列/非直列信
号がキャッシュRAM110の動作に与える効果につい
ては、以下に詳しく説明する。並列/非直列信号は制御
論理(図示せず)にも送られる。制御論理は以下に説明
するようにキャッシュRAM110の各部の動作を制御
する。
AM120とデータRAM130を備える。タグRAM
は4個のタグユニット140を備え、各タグユニット1
40は64個のタグライン150を備える。同様にデー
タRAMは4個のデータRAMユニット160を備え、
各データRAMユニット160は64個のキャッシュラ
イン170を備える。各キャッシュラインは8データ語
を記憶し、各データ語は32ビット(4バイト)のデー
タを持つ。
クセスする場合は、32ビットのアドレス信号A[3
1:0]をキャッシュメモリ110に送る。ここでは主
としてキャッシュRAM110からデータ処理命令をプ
リフェッチする動作を説明するので、図2から図4で
は、プリフェッチ装置へデータを伝送するデータバスを
「データ出力」と示している。しかし実際は、CPUと
キャッシュRAMとの間のデータ伝送は双方向である。
トから第10ビット、すなわちA[10:5]は、タグ
RAM120の一部であるタグライン選択器200と、
データRAM130の一部であるるキャッシュライン選
択器210に送る。これらの6アドレスビットは、タグ
ライン150とキャッシュライン170の中の特定のラ
インを指定する。図2では、現在選択されているタグラ
イン150とキャッシュライン170を斜線部分で示し
ている。
11ビットから第31ビットに相当する21ビットのア
ドレスを記憶する。あるデータアドレスに対応するデー
タがデータRAM130内に記憶されているかどうかを
検出するには、CPU100のプリフェッチ装置が生成
したアドレスの第11ビットから第31ビットすなわち
A[31:11]と4個の各タグユニット140内の現
在選択されているタグライン150の内容とを比較す
る。
ユニット140内の選択されたタグラインの内容が、C
PU100が出力した現在のアドレスの高位の21ビッ
トA[31:11]と等しい場合は、そのタグユニット
の一致信号220をセットする。
り、プリフェッチ装置104からの並列/非直列信号と
組み合わせる。この組合わせの結果は次の通りである。 1. 並列/非直列信号が高(キャッシュRAM110
が並列で動作することを示す)の場合は、各ORゲート
222の出力も高である。これにより、一致信号の状態
にかかわらず、データRAMユニット160はすべて動
作可能になる(straight away )。この場合は、アドレ
スとタグRAMの内容との比較は、すべてのデータRA
M ユニットから選択されたキャッシュライン170の
読出しと並列に行う。タグRAMが生成した一致信号
は、特定のデータRAMユニットを選択して動作させる
ために用いるのではなく、マルチプレクサ224内のデ
ータRAMユニットの中から1つの出力を選択するのに
用いる。
RAM110が直列で動作することを示す)の場合は、
どの一致信号も高でなければ各ORゲート222の出力
は低である。一致信号の1つが高になると、その一致信
号に関するORゲートの出力は高になり、タグが一致し
たそのデータRAMユニットだけが使用可能になる。し
たがってこの場合は、タグユニットの1つが一致するま
ではデータRAMユニットは電力を供給されない。一致
すると、必要なデータRAMユニットだけが電力を供給
される。この直列すなわち2段階アクセス方式は上に説
明した並列アクセス方式より遅いが、必要なデータRA
Mユニットだけが電力を供給されるので消費電力は小さ
い。
タ出力はマルチプレクサ224に送られ、マルチプレク
サ224はタグRAM120が生成した一致信号にした
がって出力の1つを通す。並列アクセスモードを用いる
場合は、キャッシュのデータラインはすでに各データR
AMユニットから読み出されており、マルチプレクサ2
24を用いてそれらのデータラインの中から必要な1つ
を選択する。
は、データRAMユニットの1つだけが一連のデータを
読み出す。これが(定義により)必要なラインである。
しかしこの実施態様の構成を簡単にするために、直列方
式を用いる場合でもマルチプレクサを信号路内に置く。
現在のデータRAMユニットはマルチプレクサ224に
送る一致信号と同じ信号で動作可能になるので、マルチ
プレクサ224は必ず正しいデータRAMユニットが出
力するデータラインを通す。
連のデータ(8データ語から成る)をマルチプレクサ2
30に送る。マルチプレクサ230は、CPU100が
出力したアドレス信号の第2ビットから第4ビット(す
なわち、A[4:2])にしたがってアクセス用のデー
タ語の1つを選択する。各出力データ語は32ビットデ
ータ語で、4バイトのデータを含む。一般には32ビッ
ト語全体にアクセスする(たとえば32ビット命令の取
出し中)。しかし特定のバイトにアクセスする必要があ
る場合は、アクセスするバイトをデータアドレスの第0
ビットと第1ビットA[1:0]で示す。
レス機能を次の表に示す。
並列/非直列信号が低)にあるキャッシュRAM110
の動作を示す略図である。ここではORゲート222の
実際の動作を、タグユニット140の一致出力220と
データRAMユニット160の動作可能(エネイブル)
入力とを接続したものとして図示する。言い換えると、
必要な1つのデータRAMユニットだけに一致信号を直
接通して動作可能にし、またそれはタグRAMアドレス
の比較を完了した後にだけ行う。
並列/非直列信号が高)にあるキャッシュRAM110
の動作を示す略図である。ここではORゲート222の
実際の動作を、どのタグユニットが一致信号を出力する
かにかかわらず、またタグRAM比較を行うのと同時
に、すべてのデータRAMユニットにエネイブル信号を
送るものとして図示する。
直列アクセスと並列アクセスのどちらを用いるかを決定
するのに用いる1組の規則の例を、この図で説明する。
プリフェッチ装置はFIFOバッファ250を備え、キ
ャッシュRAMから読み出した命令を入力252に受け
て記憶する。命令はFIFOバッファ出力254から出
すので、記憶された命令はバッファ内を進む。
しかし実際には、この実施態様のバッファは8命令を記
憶する。この図でバッファを小さく示したのは、動作原
理の説明を簡単にするためである。バッファの内容は、
バッファ占有度検出器260と分岐命令予測器270で
監視する。
内に記憶している命令数を検出する。これは既知のもの
であって、バッファがすでに十分な数の命令を取り出し
て保持している場合に、さらに命令を取り出さないよう
にするのに用いる。しかしここでは、バッファが所定の
数以上の命令を保持しているかどうかを検出するのにも
バッファ占有度検出器を用いる。たとえば、バッファ占
有度検出器は、バッファが半分満たされている(8命令
バッファの場合は4命令を保持)かどうかを検出する。
半分満たされている場合は、その後の取り出し動作は遅
い直列アクセスモードで行ってよい。このため、バッフ
ァがn命令以上を保持している場合はバッファ占有度検
出器は高出力を出し、NORゲート280を通し、並列
/非直列信号を形成する(上に説明したように、直列ア
クセスが必要な場合は並列/非直列信号は低である)。
り、バッファ内の命令を検査して、実行しそうな分岐命
令(たとえば無条件分岐か、または分岐命令予測器が分
岐条件と知ったまたは見なした条件付き分岐)が命令の
中にあるかどうかを検出する。この場合は、分岐はFI
FOバッファ250の出力254からの命令の中の少な
くとも所定数(たとえば、FIFOバッファ250の出
力の中の少なくとも第2命令)であると仮定して、分岐
先の命令すなわち目標アドレスは、直列アクセスモード
を用いてゆっくり取り出してよい(FIFOバッファ内
の分岐命令の位置は、従来の分岐命令予測器により容易
に検出することができる)。したがってこのような場合
は、分岐命令予測器270は高信号をNORゲート28
0に送り、NORゲート280は並列/非直列信号とし
て低値を出力する。
参照して詳細に説明したが、この発明はこれらの実施態
様だけに限定されるものではなく、特許請求の範囲に規
定されているこの発明の範囲と精神から逸れずに、当業
者はいろいろの変更や修正を行うことができる。
例示の実施態様の詳細な説明を読めば明らかになる。
タ処理装置の略図。
図。
シュメモリを示す略図。
シュメモリを示す略図。
Claims (9)
- 【請求項1】 キャッシュメモリであって、 それぞれ1つ以上のデータ語を記憶し、記憶しているデ
ータ語をエネイブル信号に応答して出力する、複数のデ
ータメモリ部分と、 それぞれ別個のデータメモリ部分に対応し、前記対応す
るデータメモリ部分内に記憶している各データ語のメモ
リアドレスを表すアドレス情報を記憶する、複数のタグ
メモリ部分と、 必要なデータ語のメモリアドレスと前記タグメモリ部分
内に記憶している前記アドレス情報とを比較する比較手
段であって、前記必要なデータ語を前記データメモリ部
分の中に記憶しているかどうかを表す信号で、記憶して
いる場合は、前記必要なデータ語を記憶している前記デ
ータメモリ部分の1つを識別する、一致信号を生成する
比較手段、を備え、 少なくとも第1モードと第2モードで選択的に動作し、 (1) 前記第1モードでは、前記一致信号に応答して
前記必要なデータ語を記憶している前記データメモリ部
分の1つだけを動作可能にし、 (2) 前記第2モードでは、前記比較手段の動作と実
質的に同時に2つ以上の前記データメモリ部分を動作可
能にし、前記一致信号を用いて前記データメモリ部分の
1つの出力を選択する、キャッシュメモリ。 - 【請求項2】 請求項1記載のキャッシュメモリであっ
て、各データメモリ部分はデータ語の配列を記憶し、前
記配列内の各データ語の位置は前記データ語のメモリア
ドレスの選択されたビットで決定する、キャッシュメモ
リ。 - 【請求項3】 請求項1記載のキャッシュメモリであっ
て、前記各データメモリ部分からのデータ出力を受ける
よう接続されたマルチプレクサを備え、前記マルチプレ
クサは前記一致信号に応答して前記データメモリ部分の
1つの出力を選択する、キャッシュメモリ。 - 【請求項4】 請求項1記載のキャッシュメモリであっ
て、前記第1モード動作では前記一致信号を別個のエネ
イブル信号として前記データメモリ部分に送り、前記第
2モード動作ではすべての前記データメモリ部分を使用
可能にする、キャッシュメモリ。 - 【請求項5】 請求項1記載のキャッシュメモリ内に記
憶されたデータにアクセスする中央処理装置であって、 前記キャッシュメモリからのデータ処理命令をプリフェ
ッチしバッファするプリフェッチ装置と、 前記キャッシュメモリの制御用の前記プリフェッチ装置
内に記憶している前記命令に応答して、前記第1モード
動作か前記第2モード動作で動作させる手段、を備える
中央処理装置。 - 【請求項6】 請求項5記載の中央処理装置であって、
前記プリフェッチ装置内に少なくとも所定数の命令がバ
ッファされている場合は、前記プリフェッチ装置は前記
第1モードを選択する、中央処理装置。 - 【請求項7】 請求項5記載の中央処理装置であって、
前記プリフェッチ装置内にバッファされている前記命令
内に分岐命令が検出された場合は、前記プリフェッチ装
置は前記第1モードを選択する、中央処理装置。 - 【請求項8】 請求項6記載の中央処理装置であって、
前記プリフェッチ装置内にバッファされている前記命令
内に分岐命令が検出された場合は、前記プリフェッチ装
置は前記第1モードを選択する、中央処理装置。 - 【請求項9】 データ処理装置であって、 請求項1記載のキャッシュメモリと、 請求項5記載の中央処理装置、を備えるデータ処理装
置。
Applications Claiming Priority (2)
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