嵌入式微处理器中动态可配置Cache结构的研究

摘要

随着集成电路进入深亚微米和纳米级工艺阶段，嵌入式微处理器的功耗问题日益严重，功耗问题已经成为制约新一代微处理器发展最主要因素之一。在现代微处理器结构中，Cache作为微处理器和主存之间的桥梁，虽然极大地提高了系统性能，但它无论在芯片面积还是功耗上都占相当大的比重，Cache的功耗甚至对整个嵌入式系统的功耗具有决定性作用。因此，Cache的低功耗研究一直以来都是处理器体系结构领域的热点问题之一。
　　 不同嵌入式程序对Cache结构的需求差别很大，即使同一应用程序，在不同时间片段对Cache的需求也不一样。传统Cache的结构一般固定不变，经常会出现与应用程序不匹配的现象。本文以提高Cache的能量效率出发，深入研究动态可配置的Cache结构，它在程序运行过程中，动态调整自身的结构，以满足程序的实时需求，在不影响性能的前提下，达到降低功耗的目的。本文的主要创新点与贡献如下：
　　 首先，研究一种容量动态可配置的Cache结构，根据程序的实时需求，关闭处于空闲状态的存储资源，实现有效容量的调整。主要研究内容包括：分析一种容量可调整的Cache结构，通过使能信号控制各路的打开或关断，改变Cache的有效容量。研究一种高效的失效率硬件监测机制，通过添加辅助标志阵列，监测每种候选容量的失效率，并引入部分标志比较技术降低硬件开销。建立Cache体系结构级功耗模型，作为所有候选容量的评估标准。研究容量动态配置算法，在所有候选容量之中进行设计空间探索，为当前应用程序选择最匹配的Cache容量。
　　 其次，研究一种相联度动态可配置的Cache结构，当发生程序相变时，触发仲裁机制对相联度重新配置，为当前程序选择最匹配的映射方式。主要研究内容包括：量化分析相联度对Cache性能和功耗的影响，并详细讨论路串联结构的工作原理。建立一种仲裁机制，监测程序访存特征行为，当发生程序相变时，在各种候选相联度之间进行设计空间探索。研究一种自适应的阈值策略，自动调节仲裁机制中阈值大小，提高仲裁机制的准确性和效率。
　　 最后，将前面两种结构叠加，研究一种容量/相联度均动态可配置的Cache结构，在程序运行期间，能够同时动态调整Cache的有效容量和相联度，极大提高Cache的结构配置空间。主要研究内容包括：详细讨论Cache的组织结构和工作原理，并对硬件开销进行分析。建立一种高效的配置策略，由于同时对容量和相联度调整，使得候选Cache结构数目增大，高效的配置策略在庞大的设计空间中迅速找到最匹配的容量和相联度，极大地降低设计空间探索引起的时间和硬件开销。