一种优化STT-RAM缓存写能耗的方法

摘要

一种优化STT-RAM缓存写能耗的方法，其主要步骤是：主STT-RAM缓存增加一小容量的从SRAM缓存，统计新的缓存数据块与原有数据的相异数据位，比较写操作分别发生在STT-RAM缓存和SRAM缓存的能耗，并且将数据写往能耗较小者，并且对主从缓存进行有效管理，从而实现对主体STT-RAM缓存写能耗的优化。

说明书

所属技术领域

本发明涉及计算机系统结构领域，尤其涉及STT-RAM缓存结构， 实现对STT-RAM缓存的写能耗优化。

背景技术

缓存是计算机处理器中的重要结构，可以有效缩短数据访问延时， 提升处理器性能。随着处理器核数的增加，片上的缓存容量也同步增 加，使得片上90％的面积都被缓存占用，导致缓存成为处理器中能耗 最大的器件。由于SRAM静态能耗大和密度低的特点，现有的SRAM 器件不再适合作为缓存；而STT-RAM(Spin transfer torque RAM)凭借 其高密度，低静态能耗，非易失性等优点成为实现缓存的主要存储器 件。

与SRAM存储数据的原理不同,STT-RAM存储单元通过改变自 身的电阻大小来存储数据。每个STT-RAM存储单元包含三个层：一 个参照层，一个氧化物层和一个自由层。其中的参照层和自由层均带 磁性，并且两者由中间的氧化物层隔离。通过对存储单元加载电流， 可以改变其中自由层的磁极方向。当参照层和自由层的磁极方向相同 时，存储单元的电阻低，表示逻辑值0；如果参照层和自由层的磁极 方向相反，存储单元的电阻高，表示逻辑值1。写数据主要就是对存 储单元加载较长时间的电流值，耗费的较大的电能，也带来STT-RAM 缓存的一个最大的缺点写能耗过大。另一方面，SRAM主要优点是读 写速度快，写能耗低；SRAM的优点刚好弥补STT-RAM的缺点。但 是大容量的SRAM又会导致静态功耗过大的问题。

发明内容

本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种能耗小的优化 STT-RAM缓存写能耗的方法。

通过在主体的STT-RAM缓存旁边增加一小容量的SRAM缓存来 优化STT-RAM的写能耗。两者采用主从的工作方式，STT-RAM缓 存作为主，首先接收来自上一级的写请求，评估在自身的写更新能耗， 再将该能耗值与SRAM的写能耗进行比较；如果本身的写能耗低于 写SRAM的能耗，那么数据就会写往STT-RAM缓存；否则的话，数 据会发往SRAM。读数据时，首先会查找STT-RAM缓存，如果SRAM 有目标数据的最新拷贝，就从SRAM读取数据；否则，就直接从 STT-RAM读取。SRAM中的脏数据替换时直接写往内存。实现上述 的步骤，主要包含以下的技术步骤：

1)对主体STT-RAM缓存增加一小容量的从SRAM缓存：

主体STT-RAM的写能耗高，其旁增加一小容量的的写能耗较低 的SRAM缓存。SRAM缓存采用全相联结构，最近最少使用替换策 略，接受来自主体SRAM的写数据块。

2)比较写能耗后完成写更新：

发生写主体STT-RAM缓存时，提前阅读目标地址的旧数据，将 该数据与将写数据按位进行比较，统计相异的数据位数，并计算写主 体STT-RAM将发生的能耗。主体STT-RAM的写能耗与从SRAM缓 存的写能耗比较，将数据块发送到往写能耗较低者。

3)对主从缓存的数据读写管理：

当发生数据读操作时，如果目标缓存块的最新拷贝在SRAM中， 就从SRAM读取，否则从STT-RAM读取；当SRAM缓存中的数据 块被替换时，那么数据块就直接写往内存，同时通知STT-RAM缓存 被替换的缓存地址；STT-RAM中的某个块被替换时，根据该缓存块 是否在SRAM中进行相应处理。

本发明通过采用小容量的SRAM来优化和弥补STT-RAM写能耗 高的劣势。本发明的内容和特点就是：对主体STT-RAM缓存增加一 小容量的伴随SRAM缓存，统计新的缓存数据块与原有数据的相异 数据位，比较写操作分别发生在STT-RAM缓存和SRAM缓存的能耗， 并且将数据写往能耗较小者。通过STT-RAM缓存与小容量SRAM从 缓存结合的方式，提供一种优化STT-RAM缓存写能耗的方法。

本发明的优点是：结构简单，能耗小。

附图说明

图1是STT-RAM存储单元图

图2是STT-RAM缓存和SRAM缓存的连接图

图3是STT-RASM缓存块结构图

图4是SRAM缓存块结构图

具体实施方式

1.对主体STT-RAM缓存增加一小容量的伴随SRAM缓存

图2中所示，主体STT-RAM缓存的旁边配置一小容量的SRAM 缓存，两者以主从方式工作。STT-RAM缓存可以对SRAM缓存进行 读写。当SRAM写能耗更低时，STT-RAM就会将要写的数据发送给 SRAM。当SRAM存储着目标数据的最新拷贝时，STT-RAM就会从 SRAM中读取数据。当STT-RAM缓存替换的缓存块在SRAM中也 有拷贝时，则发送无效信息给SRAM。而SRAM缓存不能对STT-RAM 缓存读写，只能发送无效信息给STT-RAM缓存。同时，SRAM缓存 不能直接从内存读数据，但可以写数据到内存。SRAM缓存块大小与 主缓存一致是64个字节，包含64个缓存块，采用最近最少使用替换 策略的全相联结构。

图3所示为STT-RAM缓存块结构，其中Tag是缓存块的标签值， Data是数据值，V是数据的有效位，表示当前缓存块的有效性。当V 的值为0，表示数据无效；当V的值为1，表述数据有效。D表示数 据是否脏的情况，当D值为0的话，表示数据干净；否则的话，表 示数据为脏。N表示当前的缓存块的最新拷贝是否存储在SRAM。图 4所示为SRAM缓存块结构，其中Addr表示缓存块的地址，Data是 缓存块的数据值，而V是缓存块的数据有效位。

2)比较数据块写能耗后完成写更新：

发生缓存块写操作时，数据块首先到达STT-RAM缓存。如果该 目标数据块不在缓存中，那么STT-RAM将其从内存中读取到缓存中； 否则，STT-RAM将该目的地址的旧缓存块数据读出，与当前到来的 缓存块数据进行比较，统计出其中的相异数据位数N_c。STT-RAM写 每个存储单元的能耗为w，那么写操作发生在STT-RAM中的话，消 耗的能耗大致为N_c*w。而读取STT-RAM缓存块原有的数据能耗基 本恒定为W_r。

来自上一级缓存的数据写更新既可以发生在STT-RAM缓存中， 也可以发生在SRAM缓存中，具体发生在何处取决于哪里的写能耗 更低。而缓存块在SRAM端的写能耗基本固定，假设定义为W_s，需 要将发生在STT-RAM缓存中的能耗与SRAM缓存中的能耗进行比较， 即N_c*w+W_r与W_s生的能耗进行比较。前者的值小于后者时，写操作 应该在STT-RAM中完成；否则的话，写操作应该在SRAM缓存中进 行。

3)对主从缓存的数据读写管理：

STT-RAM缓存块结构中的N位表示当前的缓存块的最新拷贝是 否存储在SRAM中。如果该标志逻辑位是1，说明该数据块的最新拷 贝在SRAM中。当缓存块的写更新发生在SRAM缓存中，STT-RAM 缓存中对应缓存块的N标志位就会置为1。当发生读数据操作时，首 先读取STT-RAM中该目标缓存块的N标志位，如果该标志位为1的 话，说明该数据的最新拷贝在SRAM缓存中，那么就会转而从SRAM 中读取该目标缓存块数据。如果STT-RAM缓存块中的新旧标志位是 0的话，那么就直接从STT-RAM缓存中读取数据。

当STT-RAM中的某个缓存块被替换且发现该缓存块的N标志位 是1的话，那么在替换的同时，发送一个失效消息以及被替换缓存块 的地址Addr给SRAM缓存。SRAM缓存在接到该消息和地址Addr 后，根据Addr找到目标缓存块后替换替换并且写到内存中，从而保 证STT-RAM和SRAM缓存中的数据一致性。相反地，如果SRAM 缓存中的某个块被替换时，其也会同时发送无效信息和缓存块的地址 给STT-RAM，STT-RAM缓存收到消息后也会将该缓存块的旧拷贝替 换出缓存。但因为STT-RAM中的缓存块不是最新的，所以不需要进 行写内存操作。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举， 本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本 发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到 的等同技术手段。