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嵌入式处理器中Cache的研究与设计

作　者: 姜难难
导　师: 喻明艳
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: Cache RAM-Tag 设计空间 CAM-Tag
分类号: TP332
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 120次
引　用: 1次
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内容摘要


随着微处理器设计技术的不断发展,Cache得到了广泛应用,以解决处理器与主存之间性能差距越来越大的难题。但由于Cache在处理器设计中的比重较大,其性能和功耗对处理器的性能和功耗会产生巨大影响,因此Cache优化设计显得至关重要。为了得到较为精确的实验数据,本文基于RTL级模拟平台对Cache结构进行研究。由于在该平台上运行整个标准程序的代价太大,本文基于M5搭建了软件模拟平台。根据标准程序的周期特性,在软件模拟平台上通过BBTraker提取其基本块信息,并利用SimPoint提取模拟点。在RTL级平台上运用上述结果,并根据Early SimPoint算法截断运行标准程序。在保证数据精确性的前提下大大缩短了程序在RTL平台上的运行时间。本课题基于单发射按序执行处理器设计了RAM-Tag Cache,通过在RTL级模拟平台上运行SPEC2000标准程序,结合NC_verilog, Design compiler和Powercompiler工具,研究Cache结构参数对性能和功耗的影响,给出了较为精确的缺失率和功耗随结构参数变化的设计空间,并在此基础上确定了最优的Cache结构(容量为16K,line大小为32Byte,32路组相联)。此外本文还对Round Robin和伪LRU替换算法进行研究,并根据实验结果将前者应用于指令Cache,将后者应用于数据Cache。此外,CAM的快速索引可以使高相联度Cache的能耗得到很大程度的改善,因此,本课题利用设计空间探索过程中所确立的最优Cache结构,设计了CAM-Tag Cache。实验结果表明,与基于RAM-Tag Cache相比,其指令Cache和数据Cache的平均能耗分别降低了35.16%和30.68%。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-13
  1.1 研究背景  8-9
  1.2 国内外研究现状  9-11
  1.3 研究内容及意义  11-12
  1.4 论文结构  12-13
第2章 Cache 概述  13-20
  2.1 基本工作原理  13
  2.2 Cache 的含义  13-14
  2.3 工作原理  14-15
    2.3.1 读过程  14
    2.3.2 写过程  14-15
  2.4 组织形式  15-16
  2.5 替换策略  16-17
  2.6 功耗模型  17
  2.7 基本结构  17-19
    2.7.1 联合与分离结构  18
    2.7.2 Cache 结构参数  18-19
    2.7.3 Cache 存储体  19
  2.8 本章小结  19-20
第3章 模拟平台  20-32
  3.1 软件模拟平台  20-25
    3.1.1 模拟平台概述  20-22
    3.1.2 搭建模拟平台  22-25
  3.2 标准程序的研究  25-28
    3.2.1 研究方法  26
    3.2.2 模拟点的提取  26-28
  3.3 RTL 级模拟平台  28-31
    3.3.1 基础处理器  29-30
    3.3.2 RTL 级模拟平台  30-31
  3.4 本章小结  31-32
第4章 Cache 设计空间探索  32-49
  4.1 基础Cache 设计  32-37
    4.1.1 存储体的设计  32-33
    4.1.2 存储操作  33-36
    4.1.3 控制器的设计  36-37
  4.2 Cache 性能研究  37-40
    4.2.1 相联度对性能的影响  38-39
    4.2.2 容量对性能的影响  39-40
    4.2.3 Line 大小对性能的影响  40
  4.3 Cache 功耗研究  40-42
    4.3.1 相联度对功耗的影响  41-42
    4.3.2 容量和line 大小对功耗的影响  42
  4.4 Cache 替换算法的研究  42-45
    4.4.1 替换算法的实现  43-44
    4.4.2 替换算法对性能的影响  44-45
    4.4.3 替换算法的硬件消耗  45
  4.5 Cache 结构的确立  45-46
  4.6 CAM-Tag Cache 设计  46-48
    4.6.1 CAM 简介  46-47
    4.6.2 CAM-Tag Cache 结构  47-48
    4.6.3 CAM-Tag Cache 功耗研究  48
  4.7 本章小结  48-49
结论  49-50
参考文献  50-55
攻读学位期间发表的学术论文  55-57
致谢  57

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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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