可重构Cache体系结构和算法研究

论文摘要

在微处理器设计技术中,Cache体系结构设计对提高系统性能方面起着至关重要的作用。目前的研究显示几乎没有一个Cache体系结构适合所有的应用。Cache体系结构的性能在很大程度上受到了应用程序的影响。传统Cache的参数是在综合考虑基准程序、工艺技术和成本基础上设计的,设计空间有极大的局限性,因此,对于某些程序这将会导致性能和功耗的非有效性。可重构Cache具有许多可调整的配置,它可以随程序特性的改变而动态调整配置,在性能和功耗上取得很大优势。然而,如何动态调整可重构Cache对于设计者来说仍然是个难点。本文深入研究提出了一种新的可重构Cache组织结构,其大小和组相联度可以通过配置寄存器,在程序运行的时候加以配置,可以为每一个程序专门来配置性能优化的结构,达到运行应用程序时高性能的目的。该可重构Cache结构,容量可以从2K到16K变化,组相联度可以配置成直接映射、2路组相联和4路组相联。本文还提出了一种有效的可重构算法来提高存储器系统的性能。这种可重构算法通过监测可重构Cache的行为、性能,以达到动态重构配置的目的。因此,它可以使可重构Cache更加接近于优化的硬件配置,并且优化性能和功耗。本文在ARM指令集上,对SPEC2000基准测试程序进行了仿真分析。通过对数据结果进行分析和对比,为每一个基准测试程序找到了基于本文提出的可重构Cache结构的优化的参数配置,来提高命中率和降低平均访问时间。比起传统的固定参数的Cache结构,可重构Cache可以明显地提高Cache性能(对一些应用程序,性能提高超过25%)。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 微处理器中存储器层次式结构设计技术
• 1.3 Cache 设计中的权衡问题
• 1.4 可重构Cache 的研究意义
• 1.5 国外对Cache 结构的研究现状
• 1.6 本论文主要的研究内容
• 第二章 Cache 基本原理
• 2.1 虚拟存储器技术
• 2.1.1 地址转换技术
• 2.1.2 存储器故障处理
• 2.1.3 存储保护技术
• 2.2 Cache 概述
• 2.2.1 Cache 结构及工作原理
• 2.2.2 Cache 性能标准
• 2.3 Cache 面积和带宽的优化措施
• 2.4 Cache 的低功耗结构设计技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 可重构Cache 体系结构
• 3.1 传统的片上Cache 结构
• 3.2 可重构Cache 组织结构
• 3.2.1 可重构Cache 参数设计
• 3.2.2 可重构Cache 结构实现
• 3.3 可重构Cache 数据重名问题的解决
• 3.4 可重构Cache 映射错误问题的解决
• 3.5 本章小结
• 第四章 可重构算法
• 4.1 可重构算法策略分析
• 4.2 自调整结构
• 4.3 性能评估方程
• 4.4 Cache 参数分析
• 4.4.1 Cache 总容量
• 4.4.2 Cache 组相联度
• 4.4.3 Cache 块大小
• 4.5 减少Cache 刷新
• 4.5.1 Cache 总容量
• 4.5.2 组相联度
• 4.6 可重构算法
• 4.7 本章小结
• 第五章 仿真环境建立及实验结果分析
• 5.1 SimpleScalar 仿真器
• 5.1.1 SimpleScalar 工具集及软件架构
• 5.1.2 SimpleScalar 源码分析
• 5.2 基准测试程序
• 5.3 仿真平台的建立
• 5.4 实验设计与结果分析
• 5.4.1 仿真参数设计
• 5.4.2 结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读硕士期间的研究成果和参加的科研项目