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高性能CPU存储控制器优化设计

作　者: 王宏燕
导　师: 邢座程
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 软件工程
关键词: 存储控制器 地址映射 访存调度 缓冲行
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


存储器的访问速度对处理器性能的发挥起着不可忽视的作用，在多核多线程处理器中尤甚。存储器访问的速度受存储控制器的制约。存储控制器决定计算机系统所能使用的最大内存容量、存储体数、内存的类型和速度、内存颗粒的数据深度和数据宽度等重要参数。存储控制器设计的好坏直接影响处理器性能的高低。本文的研究对象是X处理器中存储控制器的优化设计。X处理器是一款高性能处理器，可支持多线程和SIMD。它内部集成16个核，每个核拥有4个线程,运算部件由两套整数处理部件，一套向量处理部件，一套浮点处理部件和一套存取部件构成。该处理器片上内集成了4个双通道存储控制器，可支持并行访存。当处理的运算集非常大时，运算数据量会十分庞大，加大内存的访存压力；虽然多个存储控制器并行执行，在一定程度上缓解了访存压力，但是访存地址流会比较分散，使得存储控制器的功能无法充分发挥。本文在深入研究X处理器和DDR3SDRAM的基础上，以降低访存延时为目的，仔细分析了现有存储控制器的基本结构，做了优化改进。为了提高程序局部性、访存体并行性和行局部性，本文设计了全异或地址映射方式；为了增加访存命令行命中率，减少读写切换延迟，本文设计了分层访存调度器，分别在体内调度和体间调度两个层次对请求重新排序，设置了防饿死机制，尽可能的提高了存储器带宽利用率；为了降低活跃页频繁开启和关闭所带来的延迟，本文在片上缓冲和存储控制器之间增加了虚拟缓冲行模块，达到了增加活跃页个数的目的。本文采用verilog描述语言对存储控制器优化设计进行了逻辑描述，对优化后整体结构进行了全面的功能验证，保证了存储控制器工作的正确性。最后，对优化前后的结构进行了详细的性能测试和对比，优化后带宽从原来的5.88GB/s达到了18.55GB/s，体现了本文优化设计的优越性。

全文目录


摘要  9-10
Abstract  10-11
第一章 绪论  11-18
  1.1 课题来源  11-13
  1.2 如何缓解存储墙问题  13-15
  1.3 存储控制器概述  15-16
  1.4 课题的主要工作及研究成果  16-17
    1.4.1 课题的主要工作  16
    1.4.2 课题的研究成果  16-17
  1.5 论文的组织结构  17-18
第二章 存储器  18-28
  2.1 存储器结构  18-20
  2.2 DDR3 SDRAM 命令分析  20-25
  2.3 DDR3 SDRAM 时序分析  25-27
  2.4 小结  27-28
第三章 原型结构及优化设计方法研究  28-38
  3.1 存储控制器基本结构  28-31
    3.1.1 X 处理器  28-29
    3.1.2 存储控制器基本结构  29-31
    3.1.3 优化设计方向  31
  3.2 地址映射方式相关研究  31-34
    3.2.1 数据读写过程  31-32
    3.2.2 地址映射方式  32-34
  3.3 访存调度算法相关研究  34-36
    3.3.1 访存调度  34-35
    3.3.2 调度策略  35-36
  3.4 应用现状  36-37
  3.5 小结  37-38
第四章 存储控制器优化设计  38-60
  4.1 地址映射优化设计  39-44
    4.1.1 基本地址映射方式  39-41
    4.1.2 全异或地址映射方式  41-42
    4.1.3 读写请求队列  42-44
  4.2 分层访存调度  44-56
    4.2.1 分层调度结构  44-45
    4.2.2 仲裁器  45-47
    4.2.3 体内调度算法  47-49
    4.2.4 体间调度算法  49-51
    4.2.5 逻辑结构  51-53
    4.2.6 防饿死机制  53-56
  4.3 增加缓冲行  56-59
  4.4 小结  59-60
第五章 功能验证和性能分析  60-69
  5.1 存储控制器的模拟验证  60-64
    5.1.1 验证平台  60-61
    5.1.2 NC-Verilog 模拟仿真器  61-62
    5.1.3 功能模拟结果分析  62-64
  5.2 性能评估  64-68
    5.2.1 性能评估流程  64-65
    5.2.2 性能分析  65-68
  5.3 小结  68-69
第六章 总结与展望  69-71
  6.1 工作总结  69-70
  6.2 研究展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
作者在学期间取得的学术成果  76

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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 > 电子数字计算机（不连续作用电子计算机） > 运算器和控制器（CPU）
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