Cache低功耗技术研究及SimpleScalar模拟器分析

论文摘要

近20年来片上集成度的急剧增加使得计算机系统的整体性能有了显著提高。与此同时，性能的提高却伴随着大量的能量消耗。Cache存储器在减小微处理器和主存之间的性能差距上起着关键作用，但同时它又是主要的耗能部件之一。针对计算机系统中Cache的功耗问题，人们设计了各种Cache的低功耗结构。动态低功耗自适应技术是目前研究比较多的一种体系结构级的低功耗技术，是一种硬件资源在程序运行中可动态配置的技术。硬件根据提示信息，不断调整自身的大小，使得在不损失性能或者性能损失很小的情况下，总是以最合适的或者相对合适的资源来服务于当前的应用。滑动Cache结构是一种基于动态低功耗自适应技术的Cache结构，不需要软件给出提示信息，通过设置固定的时间段，完全由硬件本身收集当前时间段的程序运行信息，并根据这些信息在时间段的末端动态决定下一个时间段硬件资源的最佳配置，节省功耗。本文主要对滑动Cache结构作了模拟实现，提出改进的策略：用Cache的失效率来决定滑动Cache被用作指令Cache还是数据Cache。通过理论分析和实验表明，采用滑动Cache结构能够在性能损失很小的情况下，降低Cache功耗；修改后的滑动Cache结构与修改前相比较，一级Cache的缺失率更小，总体功耗更低，分别降低了2.93％和3.48％。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 功耗问题
• 1.2 功耗来源
• 1.3 低功耗研究现状
• 1.4 本文主要工作及论文结构
• 第二章 典型的Cache低功耗技术
• 2.1 低功耗设计方法概述
• 2.2 体系结构级低功耗技术
• 2.3 体系结构级Cache低功耗技术
• 2.3.1 动态电压缩放
• 2.3.2 动态可配置Cache
• 2.3.2.1 动态低功耗自适应结构
• 2.3.2.2 可浮动Cache
• 2.3.2.3 Cache的可重组技术
• 2.3.2.4 滑动Cache
• 2.3.3 其他常用降低Cache功耗的方法
• 2.3.3.1 动态关闭Cache行
• 2.3.3.2 增加L0级Cache
• 2.3.3.3 使用低功耗指令和低功耗调度
• 第三章 模拟器分析
• 3.1 SimpleScalar模拟器介绍
• 3.1.1 模拟器软件结构
• 3.1.2 SimpleScalar的模拟实现过程
• 3.1.3 SimpleScalar各模拟器介绍
• 3.1.4 sim-outorder模拟器介绍
• 3.1.4.1 模拟器流水线
• 3.1.4.2 模拟器主要实现部件
• 3.2 Wattch工具介绍
• 第四章 滑动Cache介绍及修改
• 4.1 滑动Cache方案
• 4.1.1 滑动Cache的思想
• 4.1.2 滑动Cache仲裁机制
• 4.2 对滑动Cache的修改
• 第五章 功耗模拟结果及性能分析
• 5.1 不同大小滑动Cache的比较
• 5.2 与无滑动Cache结构比较
• 5.3 滑动Cache修改前后的比较
• 第六章 全文总结及进一步工作
• 6.1 全文总结
• 6.2 进一步的工作
• 参考文献
• 致谢