【摘要】：本課題來源于深圳國微電子有限公司所承接的“核高基”項(xiàng)目:設(shè)計(jì)一款基于Power PC體系結(jié)構(gòu)的32位超標(biāo)量、高性能X型微處理器。處理器是計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)乃至整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ),PowerPC處理器具有高性能,低功耗和穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)通信,航空航天,工業(yè)控制,國防安全等領(lǐng)域。存儲(chǔ)器管理單元是處理器的重要組成部分,存儲(chǔ)器管理單元的使用解決了大程序裝載、時(shí)分復(fù)用、存儲(chǔ)保護(hù)、存儲(chǔ)共享等一系列問題,大大提高了處理器的性能。本文主要對基于PowerPC體系結(jié)構(gòu)的X型微處理器存儲(chǔ)器管理單元進(jìn)行研究與驗(yàn)證,具有非常重要的學(xué)術(shù)意義和現(xiàn)實(shí)意義。存儲(chǔ)器管理單元基于虛擬存儲(chǔ)器的思想,可以采用存儲(chǔ)器分頁技術(shù)(多級頁表,反向頁表)與存儲(chǔ)器分段技術(shù)對進(jìn)程與存儲(chǔ)器進(jìn)行劃分。在地址轉(zhuǎn)換中存儲(chǔ)器管理單元通過快表(TLB)提高地址轉(zhuǎn)換的速度,TLB的硬件結(jié)構(gòu)與命中率由其采用的替換算法決定。存儲(chǔ)器管理單元的主要功能是進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)保護(hù)。本文所研究的32位Power PC處理器有兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的存儲(chǔ)器管理單元:分別對數(shù)據(jù)訪問和指令訪問進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。每個(gè)存儲(chǔ)器管理單元包括四對塊地址轉(zhuǎn)換寄存器、16個(gè)段寄存器和一個(gè)128入口的TLB。存儲(chǔ)器管理單元支持三種地址轉(zhuǎn)換機(jī)制:實(shí)地址轉(zhuǎn)換機(jī)制不進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換直接將有效地址用作物理地址對物理存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問;塊地址轉(zhuǎn)換其實(shí)是采用分段技術(shù)將大小可配置的進(jìn)程塊映射為物理存儲(chǔ)器中與該進(jìn)程塊大小相等的物理塊;段頁地址轉(zhuǎn)換中結(jié)合了分段和分頁技術(shù),將要載入主存的連續(xù)進(jìn)程先分段再按頁劃分,離散的映射到物理存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器管理單元結(jié)合異常處理機(jī)制在塊地址轉(zhuǎn)換和段頁地址轉(zhuǎn)換過程中以塊或頁為單位進(jìn)行存儲(chǔ)保護(hù)。本文所研究的存儲(chǔ)器管理單元采用了反向頁表技術(shù),與傳統(tǒng)的頁表結(jié)構(gòu)相比大大減少了頁表所占用的物理存儲(chǔ)空間且在頁表遷移過程中大大減少了頁遷移、復(fù)制開銷。存儲(chǔ)器管理單元使用一對主、副哈希函數(shù)對反向頁表中的頁表項(xiàng)進(jìn)行排序構(gòu)造出哈希頁表。在哈希頁表中采用開地址法解決哈希沖突,最多可以保證16個(gè)進(jìn)程同時(shí)在系統(tǒng)中運(yùn)行,這使得X型處理器更適合進(jìn)行多任務(wù)處理,與采用傳統(tǒng)頁表結(jié)構(gòu)的處理器相比具有更強(qiáng)的性能。在對32位Power PC處理器存儲(chǔ)器管理單元的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行詳細(xì)分析后,對MMU進(jìn)行單獨(dú)模塊和系統(tǒng)級驗(yàn)證。根據(jù)存儲(chǔ)器管理單元的功能特性提取可控制的測試功能點(diǎn)集合,并搭建了可重用性強(qiáng)、效率高的驗(yàn)證平臺(tái),對存儲(chǔ)器管理單元的塊地址轉(zhuǎn)換,段頁地址轉(zhuǎn)換,地址保護(hù)機(jī)制、TLB結(jié)構(gòu)與功能、TLB替換算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明MMU能夠很好的完成地址轉(zhuǎn)換、地址保護(hù)功能;TLB結(jié)構(gòu)與功能,TLB所采取的替換算法均滿足設(shè)計(jì)要求。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP333

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本文編號：2526182