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高性能嵌入式CPU旁路转换单元设计

作 者: 杨婷
导 师: 潘赟; 孟建熠
学 校: 浙江大学
专 业: 电气工程
关键词: 旁路缓冲器 内存管理单元 虚拟存储器 连续页面归并 页面回收 硬件载入 PTE基址缓存 高性能 低功耗 替换策略
分类号: TP368.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2014年
下 载: 5次
引 用: 0次
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内容摘要


随着嵌入式微处理器逐渐广泛应用于生产与生活中的各个方面,性能与功耗成为嵌入式微处理器设计的重要指标,而旁路转换缓冲单元在嵌入式微处理器的这两个指标上中有重要作用,因此旁路转换单元的研究对嵌入式处理器的设计有重要意义。本文以杭州中天微系统公司的CK510系列高性能嵌入式处理器以及其仿真平台为研究基础,重点围绕高性能嵌入式处理器旁路转换单元展开研究。本文的主要研究内容和创新点包括以下内容:1.提出一种基于连续页面合并回收的旁路转换技术。基于程序连续页面分配访问的局部性特征,通过分析基准测试程序的行为,提出一种适用于高性能嵌入式处理器的基于连续页面合并回收的TLB地址映射方法。该方法的主要思想为在基于两路组相联结构的Main TLB基础上,设计一个用于合并回收页面的RTLB,来存放由于两路组相连造成的冲突导致被替换的旧表项,同时合并可以合并的表项,在以后需要该旧表项时不需要重新查找页表,可以快速获得。选取EEMBC中的一些应用程序进行实验,实验结果显示本文的TLB在缺失率上有显著提高。在对RTLB的替换策略选择上可以采用LRU或者FIFO两种方式,并对这两种方式的硬件实现做了详细说明,并进行了不同替换策略、表项数目的实验研究。2.提出一种基于连续页面合并以及PTE基址缓存的硬件载入技术。对TLB访问时间分析得知硬件载入时间在整个TLB访问过程总时间中占有巨大比例,提出对硬件载入改进的两种方法,分别是:a)合并Main TLB中物理页号、虚拟页号均连续的两个表项,扩大了Main TLB容量,降低TLB缺失率,减少硬件载入次数;b)缓存硬件载入过程中第一次查询页表得到的PTE基址,有相同PTE基址的虚拟页号将不需要进行第一次页表查询,节省了一半时间。这两种方法分别从减少硬件载入次数和缩短单次硬件载入时间上提升了旁路转换单元的性能,同时降低了缺失率。选取EEMBC中的一些应用程序进行实验,实验结果表明硬件载入技术的TLB在硬件载入总周期上相比传统的TLB结构有明显缩减。

全文目录


致谢  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
目录  10-12
图目录  12-14
表目录  14-15
1 绪论  15-29
  1.1 概述  15
  1.2 研究背景及意义  15-17
  1.3 国内外研究现状  17-26
    1.3.1 虚拟存储技术简介  17-20
    1.3.2 国内外研究现状  20-26
  1.4 论文研究基础  26-27
  1.5 研究内容及论文结构  27-28
  1.6 本章小结  28-29
2 内存管理单元概述  29-45
  2.1 内存管理单元简介  29-31
  2.2 旁路转换缓冲器简介  31-35
    2.2.1 TLB工作原理  31-33
    2.2.2 TLB组织结构  33-34
    2.2.3 TLB替换策略  34-35
  2.3 CKCORE嵌入式内存管理单元简介  35-44
    2.3.1 CKCORE内存管理单元体系结构  35-37
    2.3.2 地址空间设置  37-38
    2.3.3 协处理器MMU寄存器说明  38-43
    2.3.4 两级页表查询方式简介  43-44
  2.4 本章小结  44-45
3 基于连续页面归并回收的旁路转换技术研究  45-59
  3.1 旁路转换技术相关研究回顾  45
  3.2 程序行为分析  45-48
    3.2.1 MTLB表项替换次数及重用次数分析  46-48
    3.2.2 MTLB表项替换内容分析  48
  3.3 基于连续页面归并回收的旁路转换器  48-58
    3.3.1 页面回收RTLB结构  48-49
    3.3.2 连续页面归并回收技术  49-52
    3.3.3 RTLB替换策略  52-54
    3.3.4 实验与分析  54-58
  3.4 本章小结  58-59
4 基于连续页面合并以及缓存的硬件载入技术研究  59-67
  4.1 旁路转换单元载入技术简介  59-60
  4.2 基于连续页面合并以及缓存的硬件载入技术  60-66
    4.2.1 基于连续页面合并的硬件载入技术  60-63
    4.2.2 PTE基址缓存的硬件载入技术  63-64
    4.2.3 实验与分析  64-66
  4.3 本章小结  66-67
5 总结与展望  67-69
  5.1 论文研究工作总结  67-68
  5.2 今后工作展望  68-69
参考文献  69-74
作者简历  74-75
作者攻读硕士学位期间发表的论文  75

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 微型计算机 > 各种微型计算机 > 微处理机
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