[发明专利]改进虚拟存储器系统存取性能的技术

说明书

本申请先于另一项专利申请，它是1999年1月28日提交的归档于35U.S.C.§119(e)的美国专利申请，编号为No.60/117,886(代理人档案号：SCHIP002+)，其发明人Henry Stracovsky已过户为本发明的代理人，通过各种参考引用该发明在此也合并在一起了。

发明领域：

本发明一般涉及计算机系统。特别是，本发明涉及存储器管理系统，尤其是涉及一种减少处理器访问存储器页面时所花费等待时间的方法和设备，在使用虚拟存储器寻址的计算机存储系统中，该处理器使用一种翻译旁视缓冲器(translation look aside buffer)。

发明背景：

虚拟存储器系统允许非常大的存储器的寻址工作，即便是该系统的主存储器拥有一个较小的地址空间也不妨事。虚拟存储器系统提供这种能力是通过定义存储管理部件，特别是，页面或存储段，具有虚拟存储器地址和相应的物理存储器地址。一种特殊的虚拟存储器地址可能在主存储器或者在较慢的备用存储器，如磁盘空间之中。如果虚拟存储器地址映射数据的物理地址是在主存储器之中的话，那么信息就容易访问和使用。如果物理地址指出相应于虚拟地址的页面处于备用存储器中，那么该页面就传输或交换到数据可进行存取操作的主存储器中。传输操作通常需要使其它的信息从主存储器交换出去而回到备用存储器为新的信息腾出空间。这种传输通常是在作为硬件或软件的存储管理部件的控制下完成的。

为了提高虚拟存储器访问的速度，又包括了高速缓存，将最近用过的数据和指令保存起来。为得到所需的信息在访问主存储器之前，这些高速缓存首先接收访问。这些高速缓存可能是虚拟编址或物理编址。但是依照物理地址访问的高速缓存，在检查高速缓存和主存储器之前，必须要有一个虚拟访问到物理访问的翻译过程。

分页过程，亦即交换页面的过程，依赖于由存储器页面索引的数据的结构。这种数据结构包括根据所提供的虚拟地址将要访问的存储器的物理地址。这种数据结构包括通常采取由虚拟页面编号、页面表的大小、页面数、以及虚拟存储器空间所索引的页面表的形式存在的物理页面地址。页面表一般如此之大一致它们是保存在主存储器中，并且常常将它们自己再行分页。这就是说每一次存储器的访问操作是要得到物理地址的存储器访问一倍或更多倍数的时间，还需要第二次访问才得到数据。

用来使访问时间花费降低到最小的技术是如此保存最后一次所执行的翻译，如果当前的地址是指与最后的翻译相同的地址，那么就跳过分页过程。另外为了进一步节约时间，还可以利用高速缓存所使用的局部性原则。如果访问具有局部性，那么为访问而进行的地址翻译也必然具有局部性。将这些地址翻译保存在一个特殊的高速缓存之中，存储器访问很少会要求第二次访问再去翻译地址。这种特殊的地址翻译高速缓存称之为翻译旁视缓冲，或“TLB”。一个TLB条目如同一个高速缓存的条目，其中一个标签部分保留虚拟地址部分，而数据部分保留物理页的帧面号、保护字段、使用位、以及一个修正了的或脏的比特位。一个典型的TLB数据结构100的例子表示在图1之中。

许多不同的方法和技术可以用来提高访问虚拟存储器的速度。一种方法中，使用了较强的流水线存储器访问，而其中执行TLB访问比流水线提前一步。另一种途径是直接比较虚拟地址。这样的高速缓存称之为虚拟高速缓存。如果是一个高速缓存命中的情况，这能够消除TLB翻译的时间。但遗憾的是，它的一个缺点是过程非常耗时，不管地址的局部性质如何对每一个虚拟地址都必须执行操作。

应该注意关于TLB的其它的讨论，可以在David A. Patterson和John L.Hennessey合写的“计算机分层结构”一文中找到，此文见于A Qualitative Approach Second Edition，(Morgan KaufmannPublishing)，Pages 439-457。

根据以上的观点，应该说事情是很显然的，在一个虚拟存储器环境中需要有各种方法和设备减少存储器访问中的等待时间。

发明概述：

根据本发明描述了在基于虚拟存储器的系统中一种减少存储器访问等待时间的方法。