【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”項目:設計一款基于Power PC體系結構的32位超標量、高性能X型微處理器。處理器是計算機產業(yè)乃至整個信息產業(yè)的基礎,PowerPC處理器具有高性能,低功耗和穩(wěn)定性強的特點,被廣泛應用于網絡通信,航空航天,工業(yè)控制,國防安全等領域。存儲器管理單元是處理器的重要組成部分,存儲器管理單元的使用解決了大程序裝載、時分復用、存儲保護、存儲共享等一系列問題,大大提高了處理器的性能。本文主要對基于PowerPC體系結構的X型微處理器存儲器管理單元進行研究與驗證,具有非常重要的學術意義和現(xiàn)實意義。存儲器管理單元基于虛擬存儲器的思想,可以采用存儲器分頁技術(多級頁表,反向頁表)與存儲器分段技術對進程與存儲器進行劃分。在地址轉換中存儲器管理單元通過快表(TLB)提高地址轉換的速度,TLB的硬件結構與命中率由其采用的替換算法決定。存儲器管理單元的主要功能是進行地址轉換與存儲保護。本文所研究的32位Power PC處理器有兩個結構完全相同的存儲器管理單元:分別對數(shù)據訪問和指令訪問進行地址轉換。每個存儲器管理單元包括四對塊地址轉換寄存器、16個段寄存器和一個128入口的TLB。存儲器管理單元支持三種地址轉換機制:實地址轉換機制不進行地址轉換直接將有效地址用作物理地址對物理存儲器進行訪問;塊地址轉換其實是采用分段技術將大小可配置的進程塊映射為物理存儲器中與該進程塊大小相等的物理塊;段頁地址轉換中結合了分段和分頁技術,將要載入主存的連續(xù)進程先分段再按頁劃分,離散的映射到物理存儲器中。存儲器管理單元結合異常處理機制在塊地址轉換和段頁地址轉換過程中以塊或頁為單位進行存儲保護。本文所研究的存儲器管理單元采用了反向頁表技術,與傳統(tǒng)的頁表結構相比大大減少了頁表所占用的物理存儲空間且在頁表遷移過程中大大減少了頁遷移、復制開銷。存儲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進行排序構造出哈希頁表。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個進程同時在系統(tǒng)中運行,這使得X型處理器更適合進行多任務處理,與采用傳統(tǒng)頁表結構的處理器相比具有更強的性能。在對32位Power PC處理器存儲器管理單元的結構與功能進行詳細分析后,對MMU進行單獨模塊和系統(tǒng)級驗證。根據存儲器管理單元的功能特性提取可控制的測試功能點集合,并搭建了可重用性強、效率高的驗證平臺,對存儲器管理單元的塊地址轉換,段頁地址轉換,地址保護機制、TLB結構與功能、TLB替換算法進行仿真驗證。驗證結果表明MMU能夠很好的完成地址轉換、地址保護功能;TLB結構與功能,TLB所采取的替換算法均滿足設計要求。
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP333

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