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一種優化STTRAM緩存寫能耗的方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510274065.X

申請日:

2015.05.26

公開號:

CN104915150A

公開日:

2015.09.16

當前法律狀態:

終止

有效性:

無權

法律詳情: 未繳年費專利權終止IPC(主分類):G06F 12/02申請日:20150526授權公告日:20171205終止日期:20180526|||授權|||實質審查的生效IPC(主分類):G06F 3/06申請日:20150526|||公開
IPC分類號: G06F3/06; G06F12/08 主分類號: G06F3/06
申請人: 浙江工商大學
發明人: 章鐵飛; 傅均; 朱繼祥
地址: 310018浙江省杭州市下沙高教園區學正街18號
優先權:
專利代理機構: 杭州天正專利事務所有限公司33201 代理人: 王兵; 黃美娟
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510274065.X

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2019.05.14|||2017.12.05|||2015.10.14|||2015.09.16

法律狀態類型:

專利權的終止|||授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

一種優化STT-RAM緩存寫能耗的方法,其主要步驟是:主STT-RAM緩存增加一小容量的從SRAM緩存,統計新的緩存數據塊與原有數據的相異數據位,比較寫操作分別發生在STT-RAM緩存和SRAM緩存的能耗,并且將數據寫往能耗較小者,并且對主從緩存進行有效管理,從而實現對主體STT-RAM緩存寫能耗的優化。

權利要求書

權利要求書
1.  一種優化STT-RAM緩存寫能耗的方法,其特征包括:
1)對主體STT-RAM緩存增加一小容量的伴隨SRAM緩存:
主體STT-RAM的寫能耗高,其旁增加一小容量的的寫能耗較低的SRAM緩存;SRAM緩存采用全相聯結構,最近最少使用替換策略,接受來自主體SRAM的寫數據塊;
2)比較寫能耗后完成寫更新:
發生寫主體STT-RAM緩存時,提前閱讀目標地址的舊數據,將該數據與將寫數據按位進行比較,統計相異的數據位數,并計算寫主體STT-RAM將發生的能耗;主體STT-RAM的寫能耗與從SRAM緩存的寫能耗比較,將數據塊發送到往寫能耗較低者;
3)對主從緩存的數據讀寫管理:
當發生數據讀操作時,如果目標緩存塊的最新拷貝在SRAM中,就從SRAM讀取,否則從STT-RAM讀取;當SRAM緩存中的數據塊被替換時,那么數據塊就直接寫往內存,同時通知STT-RAM緩存被替換的緩存地址;STT-RAM中的某個塊被替換時,根據該緩存塊是否在SRAM中進行相應處理。

說明書

說明書一種優化STT-RAM緩存寫能耗的方法
所屬技術領域
本發明涉及計算機系統結構領域,尤其涉及STT-RAM緩存結構,實現對STT-RAM緩存的寫能耗優化。
背景技術
緩存是計算機處理器中的重要結構,可以有效縮短數據訪問延時,提升處理器性能。隨著處理器核數的增加,片上的緩存容量也同步增加,使得片上90%的面積都被緩存占用,導致緩存成為處理器中能耗最大的器件。由于SRAM靜態能耗大和密度低的特點,現有的SRAM器件不再適合作為緩存;而STT-RAM(Spin transfer torque RAM)憑借其高密度,低靜態能耗,非易失性等優點成為實現緩存的主要存儲器件。
與SRAM存儲數據的原理不同,STT-RAM存儲單元通過改變自身的電阻大小來存儲數據。每個STT-RAM存儲單元包含三個層:一個參照層,一個氧化物層和一個自由層。其中的參照層和自由層均帶磁性,并且兩者由中間的氧化物層隔離。通過對存儲單元加載電流,可以改變其中自由層的磁極方向。當參照層和自由層的磁極方向相同時,存儲單元的電阻低,表示邏輯值0;如果參照層和自由層的磁極方向相反,存儲單元的電阻高,表示邏輯值1。寫數據主要就是對存儲單元加載較長時間的電流值,耗費的較大的電能,也帶來STT-RAM緩存的一個最大的缺點寫能耗過大。另一方面,SRAM主要優點是讀寫速度快,寫能耗低;SRAM的優點剛好彌補STT-RAM的缺點。但是大容量的SRAM又會導致靜態功耗過大的問題。
發明內容
本發明要克服現有技術的上述缺點,提供一種能耗小的優化STT-RAM緩存寫能耗的方法。
通過在主體的STT-RAM緩存旁邊增加一小容量的SRAM緩存來優化STT-RAM的寫能耗。兩者采用主從的工作方式,STT-RAM緩存作為主,首先接收來自上一級的寫請求,評估在自身的寫更新能耗, 再將該能耗值與SRAM的寫能耗進行比較;如果本身的寫能耗低于寫SRAM的能耗,那么數據就會寫往STT-RAM緩存;否則的話,數據會發往SRAM。讀數據時,首先會查找STT-RAM緩存,如果SRAM有目標數據的最新拷貝,就從SRAM讀取數據;否則,就直接從STT-RAM讀取。SRAM中的臟數據替換時直接寫往內存。實現上述的步驟,主要包含以下的技術步驟:
1)對主體STT-RAM緩存增加一小容量的從SRAM緩存:
主體STT-RAM的寫能耗高,其旁增加一小容量的的寫能耗較低的SRAM緩存。SRAM緩存采用全相聯結構,最近最少使用替換策略,接受來自主體SRAM的寫數據塊。
2)比較寫能耗后完成寫更新:
發生寫主體STT-RAM緩存時,提前閱讀目標地址的舊數據,將該數據與將寫數據按位進行比較,統計相異的數據位數,并計算寫主體STT-RAM將發生的能耗。主體STT-RAM的寫能耗與從SRAM緩存的寫能耗比較,將數據塊發送到往寫能耗較低者。
3)對主從緩存的數據讀寫管理:
當發生數據讀操作時,如果目標緩存塊的最新拷貝在SRAM中,就從SRAM讀取,否則從STT-RAM讀取;當SRAM緩存中的數據塊被替換時,那么數據塊就直接寫往內存,同時通知STT-RAM緩存被替換的緩存地址;STT-RAM中的某個塊被替換時,根據該緩存塊是否在SRAM中進行相應處理。
本發明通過采用小容量的SRAM來優化和彌補STT-RAM寫能耗高的劣勢。本發明的內容和特點就是:對主體STT-RAM緩存增加一小容量的伴隨SRAM緩存,統計新的緩存數據塊與原有數據的相異數據位,比較寫操作分別發生在STT-RAM緩存和SRAM緩存的能耗,并且將數據寫往能耗較小者。通過STT-RAM緩存與小容量SRAM從緩存結合的方式,提供一種優化STT-RAM緩存寫能耗的方法。
本發明的優點是:結構簡單,能耗小。
附圖說明
圖1是STT-RAM存儲單元圖
圖2是STT-RAM緩存和SRAM緩存的連接圖
圖3是STT-RASM緩存塊結構圖
圖4是SRAM緩存塊結構圖
具體實施方式
1.對主體STT-RAM緩存增加一小容量的伴隨SRAM緩存
圖2中所示,主體STT-RAM緩存的旁邊配置一小容量的SRAM緩存,兩者以主從方式工作。STT-RAM緩存可以對SRAM緩存進行讀寫。當SRAM寫能耗更低時,STT-RAM就會將要寫的數據發送給SRAM。當SRAM存儲著目標數據的最新拷貝時,STT-RAM就會從SRAM中讀取數據。當STT-RAM緩存替換的緩存塊在SRAM中也有拷貝時,則發送無效信息給SRAM。而SRAM緩存不能對STT-RAM緩存讀寫,只能發送無效信息給STT-RAM緩存。同時,SRAM緩存不能直接從內存讀數據,但可以寫數據到內存。SRAM緩存塊大小與主緩存一致是64個字節,包含64個緩存塊,采用最近最少使用替換策略的全相聯結構。
圖3所示為STT-RAM緩存塊結構,其中Tag是緩存塊的標簽值,Data是數據值,V是數據的有效位,表示當前緩存塊的有效性。當V的值為0,表示數據無效;當V的值為1,表述數據有效。D表示數據是否臟的情況,當D值為0的話,表示數據干凈;否則的話,表示數據為臟。N表示當前的緩存塊的最新拷貝是否存儲在SRAM。圖4所示為SRAM緩存塊結構,其中Addr表示緩存塊的地址,Data是緩存塊的數據值,而V是緩存塊的數據有效位。
2)比較數據塊寫能耗后完成寫更新:
發生緩存塊寫操作時,數據塊首先到達STT-RAM緩存。如果該目標數據塊不在緩存中,那么STT-RAM將其從內存中讀取到緩存中;否則,STT-RAM將該目的地址的舊緩存塊數據讀出,與當前到來的緩存塊數據進行比較,統計出其中的相異數據位數Nc。STT-RAM寫每個存儲單元的能耗為w,那么寫操作發生在STT-RAM中的話,消耗的能耗大致為Nc*w。而讀取STT-RAM緩存塊原有的數據能耗基本恒定為Wr。
來自上一級緩存的數據寫更新既可以發生在STT-RAM緩存中,也可以發生在SRAM緩存中,具體發生在何處取決于哪里的寫能耗 更低。而緩存塊在SRAM端的寫能耗基本固定,假設定義為Ws,需要將發生在STT-RAM緩存中的能耗與SRAM緩存中的能耗進行比較,即Nc*w+Wr與Ws生的能耗進行比較。前者的值小于后者時,寫操作應該在STT-RAM中完成;否則的話,寫操作應該在SRAM緩存中進行。
3)對主從緩存的數據讀寫管理:
STT-RAM緩存塊結構中的N位表示當前的緩存塊的最新拷貝是否存儲在SRAM中。如果該標志邏輯位是1,說明該數據塊的最新拷貝在SRAM中。當緩存塊的寫更新發生在SRAM緩存中,STT-RAM緩存中對應緩存塊的N標志位就會置為1。當發生讀數據操作時,首先讀取STT-RAM中該目標緩存塊的N標志位,如果該標志位為1的話,說明該數據的最新拷貝在SRAM緩存中,那么就會轉而從SRAM中讀取該目標緩存塊數據。如果STT-RAM緩存塊中的新舊標志位是0的話,那么就直接從STT-RAM緩存中讀取數據。
當STT-RAM中的某個緩存塊被替換且發現該緩存塊的N標志位是1的話,那么在替換的同時,發送一個失效消息以及被替換緩存塊的地址Addr給SRAM緩存。SRAM緩存在接到該消息和地址Addr后,根據Addr找到目標緩存塊后替換替換并且寫到內存中,從而保證STT-RAM和SRAM緩存中的數據一致性。相反地,如果SRAM緩存中的某個塊被替換時,其也會同時發送無效信息和緩存塊的地址給STT-RAM,STT-RAM緩存收到消息后也會將該緩存塊的舊拷貝替換出緩存。但因為STT-RAM中的緩存塊不是最新的,所以不需要進行寫內存操作。
本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉,本發明的保護范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式,本發明的保護范圍也及于本領域技術人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。

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一種 優化 STTRAM 緩存 能耗 方法
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