浅谈cache controller的研究和设计

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1、华北电力大学（北京）硕士学位论文CacheController的研究和设计姓名：吴梦洁申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：肖立贤20040201y608486华北电力大学(北京)硕士学位论文内容摘要Cache即高速缓存，是位于CPU和主存之间的规模小速度快的存储器。Cache的工作原理是保存CPU中最常用的数据。当Cache中保存着CPU要读写的数据时，CPU直接访问Cache。由于Cache的速度与CPU相当，CPU能在零等待状态下迅速地实现数据存取。只有在Cache中不含有CPU所需的数据时CPU才去访问主存。Cache在CPU的读取期间依照优化命中原则淘汰和更新数据

2、。可以把Cache看成是主存与CPU之间的缓冲适配器，借助于Cache，可以高效地完成DRAM内存和CPU之间的速度匹配。因此，Cache是当今衡量计算机系统性能的一项重要指标。为了发展民族的CPU产业，许多专家学者都在致力于研究有自己特色的CPU.北京凝思公司总裁宫敏博士就是其中之一，为了研制基于高端安全服务器的64位通用CPU，宫博士成立了研发队伍，研制LX-1164CPU芯片。本人有幸在夏宏博士的指导下参加这一工程，承担LX-1164CPU的高速缓存控制器(CCU)的逻辑设计和功能仿真。本文介绍了我们所研制的基于安全服务器的64位通用CPU芯片中的快存控制器CCU(CacheC

3、ontrollerUnit)的设计原理和硬件实现。LX-1164CPU将采用0.18pmcmos工艺，工作主频为400MHz，安全、可靠、低功耗是其最大的特点。LX-1164具有独立的32KB片内数据高速缓存和32KB片内指令高速缓存，通过CCU可以同时对指令Cache和数据Cache进行查询。CCU采用ASIC的全定制电路设计方法，使用先进的EDA设计工具进行逻辑设计与功能仿真。在设计上突破传统思想的约束，采用可重构技术降低Cache的功耗。所谓可重构技术是指系统中的硬件结构可以根据应用程序的需求进行重新配置。本课题中运用Cache重构技术对Cache的组织结构和数据存储方式进行改

4、进和优化，通过在Cache中设置控制逻辑和选择合适的调整策略对Cache进行重构从而实现对Cache容量的动态调整，同时采用压缩的数据存储方式减少Cache的存取量，从而大大地降低了Cache的动态功耗，附加晶体管的引入又有效地降低了静态功耗，仿真结果证明该技术可有效地降低数据快存和指令快存的功耗，使整个系统性能有所提高。由于本文涉及凝思公司技术机密，所以有关的技术细节未能详细阐述。敬请评委原谅。关键词:高速缓存;可重构技术;低功耗技术华北电力大学(北京)硕十学位论文AbstractCachememoryisasoftwaretransparentfastmemorylayerbet

5、weentheCPUandthemainmemory.Itissotransparentthatapplicationdevelopersdonotneedtothinkofitsexistence.Cachememoryisconstructedwithhigh-speedstaticrandomaccessmemory(SRAM),managedinaunitcalledcacheline.ThecycletimeofSRAMcanbeasshortasafewnanoseconds.Thiskindofperformancecanmatchthespeedofmicroproc

6、essorbusoperation.Thesizeofacachelineisusuallyafewprocessorwords.AlthoughSRAMisfast,itcoststoomuch.AbasicDRAMcellusesonetransistorwhileanSRAMcellusesfour.Withthehelpofacachememoryallmemoryaccessrequests,wheneverpossible,takeplaceincahhememory;mainmemorywillbereferredtoonlywhenitisnecessary.Sinc

7、eacachememorysystemcanreducetheneedformainmemoryaccess,ItgreatlyreducesthepotentialmemoryaccesscontentioninsharedmemoryMultiprocessorsystems.ItlocalizesmemoryaccessbyisolationCPUbustrafficfrommemorybustraffic.Thispaperpresentsthel