【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用深入到各個(gè)領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)的安全問(wèn)題日益受到重視。標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)在計(jì)算機(jī)安全領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用,然而標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)導(dǎo)致了額外的且不可忽略的程序運(yùn)行時(shí)間開(kāi)銷,阻礙了標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用。因此,如何降低標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)導(dǎo)致的額外的程序運(yùn)行時(shí)間開(kāi)銷是一個(gè)重要的課題。本文基于Rocket處理器設(shè)計(jì)了一種位于末級(jí)緩存和內(nèi)存控制器之間的標(biāo)簽緩存,以減少標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)的訪存數(shù)量,從而降低程序在標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)處理器上運(yùn)行的時(shí)間開(kāi)銷。針對(duì)標(biāo)簽緩存的設(shè)計(jì)本文主要完成了以下工作:(1)本文首先從提高標(biāo)簽緩存命中率的角度出發(fā),設(shè)計(jì)了壓縮率分別為512:1和512:2的兩種層次化壓縮存儲(chǔ)方式。然后結(jié)合緩存相關(guān)的設(shè)計(jì)方法策略,確定了標(biāo)簽緩存采用多路組相聯(lián)映射策略、PLRU替換策略、寫回策略以及串行的存儲(chǔ)器訪問(wèn)策略,并設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。(2)根據(jù)以上方法策略,本文設(shè)計(jì)了512:1壓縮率和512:2壓縮率兩種標(biāo)簽緩存的電路并進(jìn)行了優(yōu)化。電路主要包括:分流單元,操作產(chǎn)生單元,操作執(zhí)行單元,寫回單元等。優(yōu)化策略主要包括:創(chuàng)建空的緩存行以減少不必要的訪存;無(wú)效無(wú)用的緩存行以提高緩存空間利用率;使用標(biāo)簽計(jì)數(shù)器以減少對(duì)緩存的不必要訪問(wèn);進(jìn)行更新檢查以減少不必要的寫操作;并行化訪問(wèn)以提高標(biāo)簽緩存處理多任務(wù)的能力。(3)在處理并行寫任務(wù)時(shí),由于層次化壓縮結(jié)構(gòu)的存在,標(biāo)簽表之間的一致性成為標(biāo)簽緩存設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。因此,本文設(shè)計(jì)了一種鎖機(jī)制以強(qiáng)制寫操作的順序性,從而保證了標(biāo)簽表之間的一致性。實(shí)驗(yàn)部分,本文首先對(duì)所設(shè)計(jì)的標(biāo)簽緩存進(jìn)行了基于虛擬驗(yàn)證平臺(tái)的驗(yàn)證以及基于匯編和C語(yǔ)言的驗(yàn)證,確定了標(biāo)簽緩存的正確性。然后,對(duì)添加了不同壓縮率標(biāo)簽緩存的處理器進(jìn)行了基于程序運(yùn)行時(shí)間的性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示,512:1壓縮率相較于512:2壓縮率更有優(yōu)勢(shì);512:1壓縮率的標(biāo)簽緩存使得標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)處理器的性能相對(duì)于沒(méi)有標(biāo)簽緩存的標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)處理器平均提升20%以上,相對(duì)于非標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)處理器損失在2%以下。最后,對(duì)采用512:1壓縮率標(biāo)簽緩存的處理器進(jìn)行了邏輯綜合,結(jié)果顯示,標(biāo)簽緩存幾乎沒(méi)有導(dǎo)致處理器的頻率損失;但是每增加16KB的緩存容量,會(huì)導(dǎo)致約5%的面積損失,但是對(duì)一個(gè)緩存來(lái)說(shuō)這是可以接受的。綜上所述,本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽緩存以可以接受的面積代價(jià),有效地降低了標(biāo)簽內(nèi)存架構(gòu)處理器的程序運(yùn)行時(shí)間開(kāi)銷。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP332
【圖文】：

器和操作產(chǎn)生單元，然后將兩者的響應(yīng)整合并返回給 L2 緩存。圖 5.3 是分流單元對(duì)來(lái)自 L2 的讀請(qǐng)求的處理過(guò)程。圖5.3中io_inner_acquire_valid為高電平表示分流單元接收到了來(lái)自L2的請(qǐng)求，由于該請(qǐng)求沒(méi)有攜帶數(shù)據(jù)，所以是讀請(qǐng)求。分流單元接收到讀請(qǐng)求的同時(shí)，圖 5.3 中tc_req_valid 為高，即相關(guān)標(biāo)簽讀請(qǐng)求被發(fā)向了操作產(chǎn)生單元。接著在圖 4.2 的OuterACQ 狀態(tài)，分流單元向內(nèi)存發(fā)出了數(shù)據(jù)讀請(qǐng)求，即圖 5.3 中 io_outer_acquire_valid為高時(shí)。然后可以看到 io_outer_grant_valid 連續(xù)八次被拉高，表明內(nèi)存將數(shù)據(jù)響應(yīng)給分流單元。之后分流單元的狀態(tài)機(jī)進(jìn)入 InnerGNT 狀態(tài)，即圖 5.3 中 SplitTracker 組的state 值為 4。在 OpGenerateTracker 組的 state 值再次為 0 時(shí)，操作產(chǎn)生單元將標(biāo)簽值返回給了分流單元(由于內(nèi)存是虛擬的

讀請(qǐng)求的地址和內(nèi)存響應(yīng)數(shù)據(jù)

第五章 標(biāo)簽緩存的驗(yàn)證與分析到在io_inner_grant_valid為高的第二拍，數(shù)據(jù)和標(biāo)簽分別是64'h0000_0000_0000_0001和 2'h1，而其他都是 0。所以數(shù)據(jù)的傳輸是對(duì)的。我們已經(jīng)知道標(biāo)簽響應(yīng)的值是16'h0004。其第三位第四位確實(shí)是 2'h1，所以標(biāo)簽值的傳輸也是對(duì)的。圖 5.3 中 io_inner_acquire_bits_addr_block 是 L2 發(fā)出的讀請(qǐng)求的內(nèi)存塊地址，在其低位補(bǔ) 6 個(gè) 0 即得到該塊的起始物理地址。仿真的內(nèi)存基地址是 32'h4000_0000，內(nèi)存大小是 2GB，通過(guò)式 3-3 的計(jì)算可以得到，原標(biāo)簽表的起始地址是 32'hbcb_8d0a，和圖 5.3 中 tc_tt_addr 一至。所以標(biāo)簽緩存對(duì)標(biāo)簽地址的計(jì)算是正確的。

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本文編號(hào)：2781520