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嵌入式处理器中高速缓存的研究与设计

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第一章绪论

1.1课题背景及来源

1.2国内外研究现状

1.3论文研究内容及设计思路

1.4论文章节安排

第二章存储系统及其组成单元的概述

2.1存储系统概述

2.1.1存储系统概述

2.1.2读/写缓冲器概述

2.1.3存储管理单元(MMU)的概述

2.2高速缓存(Cache)概述

2.2.1高速缓存(Cache)的作用

2.2.2虚拟Cache与物理Cache

2.2.3 Cache的分类及其特点

2.2.4常用Cache的映射结构

2.2.5 Cache的替换策略

2.2.6 Cache的写策略

2.2.7 Cache中设计参数一些考虑

2.3本章内容小结

第三章Cache结构设计

3.1处理器的组织

3.2 Cache组织结构

3.2.1 Cache结构设计

3.2.2 Cache功能配置

3.2.3 Cache组织方式

3.3 Cache主要设计参数

3.3.1基于CAM-RAM 32路组关联结构的设计

3.3.2替换策略的选择

3.3.3写策略的选择

3.4 Cache工作流程

3.4.1 Cache工作状态

3.4.2 Cache的状态的迁移

3.5本章内容小结

第四章Cache电路设计

4.1门控时钟(Clock gating)设计

4.2 Cache存储模块设计

4.2.1 SRAM单元接口电路

4.2.2 SRAM单元设计

4.2.3 Cache的存储宏观结构

4.2.4 SRAM灵敏放大技术

4.3内容寻址存储器(CAM)设计

4.3.1 CAM单元输入电路

4.3.2 CAM单元结构

4.3.3 CAM单元宏观结构

4.3.4 CAM-Tag阵列在Cache中的作用

4.4本章内容小结

第五章仿真及实验结果

5.1性能仿真

5.1.1 SimpleScalar的概述

5.1.2基准测试程序

5.1.3验证平台建立

5.1.4性能仿真结果

5.2功能仿真

5.3本章内容小结

第六章总结和展望

6.1工作总结

6.2工作展望

致谢

参考文献

研究成果

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摘要

本文对嵌入式处理器中的高速缓存(Cache)进行了研究与设计。微处理器设计的难题之一就在于其高性能与外存储器的低读取速度极不相配,这在很大程度上限制了微处理器的性能及效率。尽管有多种解决方案解决该问题,但在微处理器中片上Cache是目前被广泛应用的一种有效方法,因此设计高性能的Cache电路至关重要。 本文对Cache设计的主要目的是根据课题设计要求的设计参数,实现Cache的基本功能,在此基础上,使所设计的Cache性能尽可能得到提高。本文在充分理解Cache结构特点的前提下,对Cache进行了详细结构设计,分别设计了16KB的I-Cache以及8KB的D-Cache;并且采用了32路组关联的CAM-RAM结构来实现Cache的轮询操作的查询机制;采用了写回操作的方法实现Cache的写策略,使用了每个Cacheline用两个dirty位的方法来进行标记:本文主要对Cache的数据通路进行全定制的电路设计,详细研究分析了其中关键电路的设计思路,并对部分电路进行Hspice的仿真,以验证该电路是否符合设计的目的:使用SimpleScalar软件对Cache进行性能评估,配置合适的设计参数,对所设计的Cache进行性能上的仿真,最后得到所设计的Cache的性能符合项目要求的结果;将Cache的数据通路进行RTL描述,并将描述的结果与Cache的状态迁移结合在一起进行功能仿真,验证了所设计的Cache功能的正确性。本文完成了Cache的设计以及功能、性能仿真,仿真结果表明,所完成的设计与预定目标一致。

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