支持多媒体计算的可重构Cache研究与设计

论文摘要

多媒体计算是目前计算机研究领域的一个热点,其广泛应用于各种嵌入式手持设备。多媒体计算数据处理量大,并且数据类型多样,性能与其在存储系统中的表现有密切关系。嵌入式手持设备由于受到尺寸和重量的限制,供电能力有限。因此,对多媒体计算下存储系统性能和能耗的研究是十分必要的。Cache作为存储系统的重要一环,极大的缩短了处理器与主存之间的速度差距,并且占据了较大的芯片面积,是能耗产生的主要来源之一。为了实现高性能低功耗的存储结构,本文针对多媒体应用程序的特点,提出了三种有效的可重构Cache解决方案。TBLRC是一种基于时间片的行可重构Cache方案。多媒体计算一般采用数据分块策略,分割后的数据块具有良好的空间局部性。针对这一特点,该方案提出了一种邻近行历史访问统计策略,可对时间片内程序空间局部性的变化情况进行整体估计,通过动态改变置换行大小以适应分割后数据块尺寸,从而充分利用数据的空间局部性,提高Cache的预取效率。TBWRC是一种基于时间片的路可重构Cache方案。当相联度增加时,冲突失效的减少使多媒体计算的Cache失效率明显下降,但控制逻辑电路的增加使得Cache命中能耗也随之上升。TBWRC通过动态改变Cache相联度,以较小的性能损失,减少较大的系统能耗。该方案提出了一种自适应阈值策略,并且通过对最少访问路和新增路的命中次数进行统计,为路重构操作提供了较为准确的判断依据,其重构准确度优于对比模型中的搜索启发算法。TBLAWRC是一种基于时间片的行和路可重构Cache方案。它结合了TBLRC和TBWRC两种方案的特点,通过修改Cache地址映像规则和引入重构协调机制,使行重构和路重构策略能够在同一Cache中协同工作。实验结果表明,与前两种方案相比,TBLAWRC对性能和能耗均有进一步的优化。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.2 研究内容
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文的结构
• 第2章 多媒体处理及可重构CACHE 相关研究工作
• 2.1 引言
• 2.2 多媒体处理器
• 2.3 多媒体计算下的存储优化
• 2.3.1 多媒体计算的分类
• 2.3.2 多媒体计算下存储优化的研究现状
• 2.4 可重构CACHE 策略
• 2.4.1 Cache 简介
• 2.4.2 可重构Cache 的基本原理
• 2.4.3 可重构Cache 的分类与研究现状
• 2.5 小结
• 第3章 一种基于时间片的行可重构CACHE 设计
• 3.1 引言
• 3.2 行可重构CACHE 策略的提出
• 3.3 TBLRC 设计方案
• 3.3.1 TBLRC 的基本思想
• 3.3.2 邻近行的历史访问统计与行重构状态机
• 3.3.3 TBLRC 整体结构和工作过程
• 3.4 仿真环境和测试程序
• 3.4.1 SimpleScalar 模拟器
• 3.4.2 Sim-panalyzer 模拟器
• 3.4.3 基准测试程序
• 3.5 实验结果分析
• 3.5.1 阈值分析
• 3.5.2 访存时间与能耗分析
• 3.5.3 硬件开销分析
• 3.6 小结
• 第4章 一种基于时间片的路可重构CACHE 设计
• 4.1 引言
• 4.2 路可重构CACHE 策略的提出
• 4.3 TBWRC 设计方案
• 4.3.1 TBWRC 的基本思想
• 4.3.2 路重构状态机
• 4.3.3 最少访问路与新增路命中次数统计
• 4.3.4 自适应阈值策略
• 4.3.5 TBWRC 整体结构和工作过程
• 4.4 实验结果分析
• 4.4.1 阈值分析
• 4.4.2 访问时间和能耗分析
• 4.4.3 硬件开销分析
• 4.5 小结
• 第5章 一种基于时间片的行和路可重构 CACHE 设计
• 5.1 引言
• 5.2 行和路可重构CACHE 策略的提出
• 5.3 TBLAWRC 设计方案
• 5.3.1 TBLAWRC 的基本思想
• 5.3.2 邻近行的历史访问统计与行替换策略
• 5.3.3 重构状态机
• 5.3.4 TBLAWRC 整体结构和工作过程
• 5.4 原型系统
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 协调策略比较
• 5.5.2 访存时间与能耗分析
• 5.5.3 硬件开销分析
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A（攻读硕士期间发表论文列表）