[发明专利]基于非写分配的高速缓存一致性的多核处理器数据传输系统

说明书

技术领域

本发明涉及多核处理器领域，尤其是一种多核处理器数据传输系统。

背景技术

基于对称式共享存储器的多核处理器系统支持共享和私有数据的缓存。私有数据被单个处理器使用，而共享数据则被多个处理器所使用，系统基本上是通过读写共享数据完成处理器之间的通信。由于共享数据的存在，可能出现同一个数据的多个版本同时存在于共享存储器和多个处理器的高速缓存中的情况。如果此时有多于一个的处理器对该数据进行写操作，则可能出现不一致的情况，导致程序执行发生错误。高速缓存一致性协议是一种用于保证多核处理器系统各处理器高速缓存中数据一致性的机制，一致性协议可由软件或硬件方法来实现。本发明用硬件方法实现高速缓存一致性协议，以下所述协议均指用硬件实现的协议。

常用的高速缓存一致性协议可分为两大类：目录协议和监听协议。监听协议又可分为两类：写更新协议和写无效协议。由于在基于总线的片内多核处理器系统中总线总是最紧张的资源，而写无效协议不会给总线带来太大的压力，因此写无效协议几乎成为所有实现机制中选择的协议。

写无效协议还和处理器所采用的高速缓存的类型相关，如更新内存的方式是写回法还是写透法；写缺失时的策略是写分配法还是非写分配法。本发明讨论基于写回法和非写分配法的高速缓存的一致性协议。

传统的基于写回法和非写分配法的写无效一致性协议有MESI变种协议（MESI协议常用于采用写回法和写分配法的高速缓存的商业多核处理器）。该协议利用四种状态中的一种来标记各高速缓存行：

无效状态（I）：指示该高速缓存行无效。

独占状态（E）：指示该高速缓存行仅仅存储在该特定的高速缓存中且和共享存储器中的该行中的数据相同，共享存储器中的该行的数据有效。

修改状态（M）：指示该高速缓存行已被修改并且在共享存储器中的该行中的数据不再有效。

共享状态（S）：指示该高速缓存行可以存储在其它处理器的高速缓存中且和共享存储器中的该行中的数据相同，共享存储器中的该行的数据有效。

MESI变种协议各个状态之间的转换如图1所示。其中，写缺失时，本地处理器先发出一个写缺失信号，使其它处理器中该缓存行的副本无效，然后再把数据写到共享存储器中。本地处理器若监听到其它处理器正在对本处理器高速缓存中处于独占（E）、共享（S）或修改状态（M）的缓存行进行写操作，都将该缓存行的状态转换为无效状态（I），处于修改状态（M）的缓存行也要抢先写回共享存储器中。可见，由于采用非写分配的高速缓存，当某个处理器对某个高速缓存行产生一次写缺失时，需要发起对共享存储器的写更新操作，且所有处理器均不存在该高速缓存行的有效副本；紧接着，任何处理器下一次对该缓存行的读操作也必定是缺失的，且需要发起对共享存储器中该行的读操作。在某些情况下，处理器会频繁地发起对共享存储器的访问，由于对共享存储器的访问时延很大，因此性能很低。这也是大多数商业多核处理器不采用非写分配高速缓存的原因。

发明内容

为了克服已有多核处理器的数据传输方式的在某些情况下会频繁地发起对共享存储器的访问、访问平均时延很大、处理器性能受限的不足，本发明提供一种有效减少对共享存储器的访问操作、缩短访问平均时延、提升处理器性能的基于非写分配的高速缓存一致性的多核处理器数据传输系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种基于非写分配的高速缓存一致性的多核处理器数据传输系统，所述多核处理器数据传输系统包括一个监听管理单元、至少两个的采用写回式高速缓存且其写缺失时采用非写分配策略的处理器、片上互连总线和共享存储器，当其中一个处理器产生一致性操作时，会把一致性操作的相关信息发给监听管理单元，然后等待监听管理单元处理完毕给回响应后，处理器完成该一致性操作，其中，

所述监听管理单元包括：

一致性请求仲裁部，用以接收各个处理器发送的一致性操作的相关信息后，把这些信息进行仲裁、串行化，然后发往监听处理部；

监听处理部，用以按照一致性请求仲裁模块给出的一致性请求把相应的监听操作发送给除一致性请求发起者之外的其它各个处理器；当所有接收该监听操作的处理器都给回响应和可能需要的数据后，如果不需要发起对共享存储器的访问，该监听处理部把各处理器对该监听操作的响应和可能需要的数据发送给一致性响应部；如果需要发起对共享存储器的访问，则把相应的操作信息发送给共享存储器访问部，待共享存储器访问部完成对共享存储器的访问操作后，该监听处理部把相应的响应和可能需要的数据发送给一致性响应部；