X处理器存储一致性模型的研究与实现

论文摘要

现代科学计算正在向并行计算、分布式运算等方向发展,而多核处理器在这些方面有着单核处理器无法比拟的优势,这就决定了多核处理器在未来微处理器领域的主导地位。但在多处理器系统中,由于多个处理器可能对同一数据块进行读操作,当某个处理器对共享的数据块进行写操作时,其它处理器的cache中该数据块的副本将成为过时的数据。如果不及时地通知相应的处理器,将导致错误的运行结果。存储一致性协议就是用来在这种情况下保证程序运行正确性的。多机系统存储信息一致性问题正是当今国际上研究的热门问题之一。本课题主要研究基于X处理器的存储一致性模型,依据此模型设计并实现与存储一致性模型相关性很大的存取部件。本文首先根据存储一致性模型理论的发展,深入分析了多种比较流行的存储一致性模型,总结了它们各自的优缺点和适用环境。在此基础上依据X处理器体系结构特点选择了适用于X处理器的存储一致性模型——TSO模型,设计实现了X处理器的存取功能部件,包括数据cache,数据TLB,store buffer以及接口电路等模块,最后对该部件进行了验证与综合。结果表明,验证所使用的127个测试激励全部通过,存取部件时钟频率可达1GHz以上,满足设计要求。本课题是国家重大科研项目X处理器研究与设计工作的一部分,研究成果直接应用于工程实践。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 多处理机系统的组织方式
• 1.2.2 存储器一致性
• 1.2.3 高速缓存一致性协议
• 1.3 课题研究目标、内容及意义
• 1.3.1 课题的研究目标和内容
• 1.3.2 课题意义
• 1.4 论文结构
• 第二章 存储一致性模型的研究
• 2.1 引言
• 2.2 顺序一致性模型
• 2.3 处理器一致性模型
• 2.4 弱一致性模型
• 2.5 松弛一致性模型
• 2.6 LC 一致性模型
• 2.7 DAG 一致性模型
• 2.8 线程一致性模型
• 2.9 存储一致性模型的比较分析
• 2.10 本章小结
• 第三章 X 处理器存储一致性模型
• 3.1 引言
• 3.2 X 处理器存储一致性模型的选择
• 3.2.1 X 处理器体系结构概述
• 3.2.2 选择合适的存储一致性模型
• 3.3 TSO 一致性模型的特点
• 3.4 本章小结
• 第四章 X 处理器存取部件的设计
• 4.1 引言
• 4.2 存取部件总体结构描述
• 4.3 功能单元设计
• 4.3.1 DCache 设计
• 4.3.2 DTLB 设计
• 4.3.3 STB 设计
• 4.3.4 LMQ 设计
• 4.3.5 接口模块设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 测试结果及性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 X 处理器验证
• 5.2.1 芯片验证流程
• 5.2.2 模块级验证
• 5.2.3 部件级验证
• 5.3 存取部件的DC 综合
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果