[发明专利]一种高速缓冲存储器的替换方法、高速缓冲存储器及计算机系统

说明书

本发明提出一种高速缓冲存储器的替换方法、高速缓冲存储器及计算机系统，在本发明中，采用与高速缓冲存储器Cache的容量k一致的滑动窗口，通过滑动窗口对应主存储器中的数据块，在高速缓冲存储器的Cache块中存储滑动窗口所对应的主存储器中数据块以及该数据块的优先级标志；当高速缓冲存储器当前Cache块出现访问未命中，判断新访问程序块的优先级，只有当新的程序块优先级高于当前程序块，才替换Cache内容和优先级，在替换Cache块时，移动滑动窗口底端至未命中的地址，在高速缓冲存储器Cache中存储滑动窗口所对应的主存储器中数据块以及该数据块的优先级。

技术领域

本发明涉及高速缓冲存储器技术领域，具体涉及一种高速缓冲存储器的替换方法、高速缓冲存储器及计算机系统。

背景技术

高速缓冲存储器（Cache）是一种特殊的存储器子系统，其中复制了频繁使用的数据以利于快速访问。存储器的高速缓冲存储器存储了频繁访问的 RAM 位置的内容及这些数据项的存储地址。Cache由标记存储器和数据存储器两个基本部分组成。标记存储器是用来储存Cache的控制位与块地址标签，控制位用于管理Cache的读写操作，而块地址标签则记录着Cache中各块的地址。这个地址包含了与主内存映射的块地址，并且都与Cache中的一块“数据”相对应。而这块“数据”正是贮存于Cache的数据存储器中。当CPU读取数据时，先通过地址总线把物理地址送到Cache中，与Cache中的块地址标签进行对比。若相符合，则表示此数据已经存在于Cache中（此情况被戏称为“命中”），这时只需把Cache中的对应数据经由数据总线直接传送给CPU即可。但如果CPU送来的物理地址无法与Cache中的块地址标签相符，则表明这一数据不在Cache中（称为“失误”），这时，需要由主内存把CPU所需的数据地址拷贝到Cache中，再由Cache把数据传送给CPU，此时就需讨论映射方式，映射方式是指Cache中的数据如何与主内存中的数据相对应的问题。映射方式通常有以下三种：

直接映射：如果主内存上的块只能映射到Cache中的特定块，我们称这种映射方式为直接映射。直接映射的存取速度最快，但失误率也最高。

完全映射：在这种映射方式下，主内存上的块可以映射到Cache的任意块之中，当CPU欲读取某一个块时，Cache会把CPU送来的地址与Cache中的所有地址标签进行对比。由于是完全对比，因此存取时间最长，但失误率也最低。

组相联映射：这种映射方式是把Cache分成若干个页面，每个页面会有相同数目的块。主内存中数据块可以映射到Cache中指定页面的任一块中。这种映射方式可以看成是直接映射与完全映射的折衷，是效率最高的映射方式。

在微控制器芯片内部加入指令Cache可以显著的提高指令运行的效率。但是加入大容量的Cache会明显增加芯片的成本和功耗。因此在成本和功耗敏感的微控制器芯片中只能使用小容量的Cache，在使用小容量的Cache时候不能直接映射、完全映射或者组相联映射这几种大容量Cache的方式来映射和替换Cache，而现有的映射方式尚未涉及该技术问题。

发明内容

发明目的：为给小容量的Cache提供一种合适的数据替换和映射方式，本发明提出一种高速缓冲存储器的替换方法、高速缓冲存储器及计算机系统。本发明把整个小容量Cache当成一个块，并采用滑动窗口的方式映射和替换小容量Cache，即Cache和程序存储器的映射位置随着程序执行的过程不断变化。

技术方案：为实现上述技术效果，本发明提出以下技术方案：

一种高速缓冲存储器的数据替换方法，包括步骤：

（1）对主存储器不同的地址区间定义不同的优先级标志，即对每个主存储器中的程序块定义优先级；把中断向量表地址区间的优先级定义为最低；