[发明专利]一种基于扩展型Cache Coherence协议的多级一致性域仿真验证和测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及本发明属于计算机体系结构范畴，具体涉及多处理器计算机系统的Cache一致性；多节点多处理器计算机系统；CC-NUMA（Cache Coherent Non-Uniform Memory Access——Cache一致性非一致内存访问）架构；Cache Coherence协议的多级一致性域和模型测试验证方法，具体地说是一种基于扩展型Cache Coherence协议的多级一致性域仿真验证和测试方法。 

背景技术

当前多处理器之间的连接方式由总线连接转变为点对点连接，内存也从挂接处理器外部桥接芯片转变为直接挂接处理器。由于内存挂接方式的变化，内存在系统中的分布也发生变化，从而导致多处理器系统中内存访问的非均一性，故当前多处理器系统多为NUMA（Non-Uniform Memory Access——非一致内存访问）架构系统。 

NUMA系统中有多个Cache单元分布于系统，因而设计NUMA系统须解决多Cache之间的一致性问题。如何解决Cache一致性问题是CC-NUMA系统的核心问题。因而对Cache一致性协议的验证工作也相应成为CC-NUMA系统验证工作的重要组成部分。在普遍使用商用微处理器构建巨型机的潮流下，使用商用多核微处理器构建CC-NUMA系统也就成为必然的趋势。为了支持多处理器并行，目前的高端商用微处理器基本都支持多路直连扩展。若处理器使用内置存控，并对全局访存空间统一编址,多个直连的处理器即可构成一个小型的CC-NUMA系统。然而受处理器直连接口数量限制,仅使用处理器直联方式难以构建大型系统。 

为实现大规模的CC-NUMA多处理器系统，需借助节点控制器NC（Node Controller）扩大一致性域空间。本文涉及到的节点控制器具有维护全局Cache一致性和扩展系统规模两种功能：首先，每个节点控制器连接1至4颗处理器，组成一个节点和第一级Cache一致性域，域内一致性由处理器和节点控制器共同维护；其次，节点控制器直接互连或通过节点路由器连接以组成大规模CC-NUMA系统。节点间的第二级Cache一致性由节点控制器维护。这样构成的大规模的CC-NUMA 系统需要在处理器直联Cache一致性协议基础上扩展建立多层次的协议，并维护全局一致性。基于扩展型Cache Coherence协议的多级一致性域CC-NUMA系统协议往往相对比较复杂，与此同时仿真测试也尤为重要，对其仿真验证工作也成为重要工作。 

如上文所述，按处理器直连的方式构成的多处理器系统规模有限。为实现更大规模的CC-NUMA多处理器系统，必须借助于图1中节点控制器（Node Controller）。节点控制器具有扩展系统规模和维护全局Cache一致性的功能；首先，每个节点控制器连接1至4颗处理器，组成一个节点和第一级Cache一致性域，域内Cache一致性由处理器和节点控制器共同维护。节点控制器也会占用域内的至少一个处理器ID，因而域内处理器加节点控制器的数量不能大于处理器所能支持的域内处理器ID数。然后，节点控制器直接互连或通过节点路由器连接以组成大规模CC-NUMA系统。节点间的第二级Cache一致性由节点控制器维护，某节点内的处理器跨节点和Cache一致性域访问另一个节点内处理器的内存时，全局Cache一致性通过节点控制器维护。 

据此设计相关模型CC-NUMA总线功能模型：模拟实现了处理器中Cache、存储、以及处理器间的互连网络；支持自定义系统拓扑结构；支持访存行为事务级的模拟；模拟处理器直连Cache一致性协议并提供系统中各访存事务、Cache、存储的实时行为和状态。同时设计节点控制器仿真模型：通过总线功能模型的API接口，模拟实现了节点控制器自有的多级Cache一致性协议；使用处理器Cache一致性的协议消息与处理器进行通信，并以扩展Cache一致性的协议消息通过节点控制器网络在各节点控制器之间进行通信，完成多级域之间的一致性协议的转换。 

使用模拟验证方法来进行功能验证，核心思想是将设计者的意图与观察模拟器的实际行为进行比较，以确定它们的一致性。当一个设计在模拟中能够像设计者所期望的那样运行并且达到设计要求的时候，我们认为这个设计就已经被验证了。在验证过程中，通过对己产生的测试激励进行模拟结果覆盖率的分析，结合由系统功能描述中导出的信息，改进进一步验证的测试激励生成算法或者测试激励生成约束，使得再次生成的测试激励能使模拟系统达到更高的覆盖率。