【摘要】：隨著計算機技術的發(fā)展,計算機的應用深入到各個領域,計算機的安全問題日益受到重視。標簽內(nèi)存架構(gòu)在計算機安全領域有著重要的應用,然而標簽內(nèi)存架構(gòu)導致了額外的且不可忽略的程序運行時間開銷,阻礙了標簽內(nèi)存架構(gòu)的實際應用。因此,如何降低標簽內(nèi)存架構(gòu)導致的額外的程序運行時間開銷是一個重要的課題。本文基于Rocket處理器設計了一種位于末級緩存和內(nèi)存控制器之間的標簽緩存,以減少標簽內(nèi)存架構(gòu)的訪存數(shù)量,從而降低程序在標簽內(nèi)存架構(gòu)處理器上運行的時間開銷。針對標簽緩存的設計本文主要完成了以下工作:(1)本文首先從提高標簽緩存命中率的角度出發(fā),設計了壓縮率分別為512:1和512:2的兩種層次化壓縮存儲方式。然后結(jié)合緩存相關的設計方法策略,確定了標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器訪問策略,并設計了存儲器結(jié)構(gòu)。(2)根據(jù)以上方法策略,本文設計了512:1壓縮率和512:2壓縮率兩種標簽緩存的電路并進行了優(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;無效無用的緩存行以提高緩存空間利用率;使用標簽計數(shù)器以減少對緩存的不必要訪問;進行更新檢查以減少不必要的寫操作;并行化訪問以提高標簽緩存處理多任務的能力。(3)在處理并行寫任務時,由于層次化壓縮結(jié)構(gòu)的存在,標簽表之間的一致性成為標簽緩存設計的關鍵問題。因此,本文設計了一種鎖機制以強制寫操作的順序性,從而保證了標簽表之間的一致性。實驗部分,本文首先對所設計的標簽緩存進行了基于虛擬驗證平臺的驗證以及基于匯編和C語言的驗證,確定了標簽緩存的正確性。然后,對添加了不同壓縮率標簽緩存的處理器進行了基于程序運行時間的性能測試,測試結(jié)果顯示,512:1壓縮率相較于512:2壓縮率更有優(yōu)勢;512:1壓縮率的標簽緩存使得標簽內(nèi)存架構(gòu)處理器的性能相對于沒有標簽緩存的標簽內(nèi)存架構(gòu)處理器平均提升20%以上,相對于非標簽內(nèi)存架構(gòu)處理器損失在2%以下。最后,對采用512:1壓縮率標簽緩存的處理器進行了邏輯綜合,結(jié)果顯示,標簽緩存幾乎沒有導致處理器的頻率損失;但是每增加16KB的緩存容量,會導致約5%的面積損失,但是對一個緩存來說這是可以接受的。綜上所述,本文設計的標簽緩存以可以接受的面積代價,有效地降低了標簽內(nèi)存架構(gòu)處理器的程序運行時間開銷。
【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】：2019
【分類號】：TP332
【圖文】：

器和操作產(chǎn)生單元，然后將兩者的響應整合并返回給 L2 緩存。圖 5.3 是分流單元對來自 L2 的讀請求的處理過程。圖5.3中io_inner_acquire_valid為高電平表示分流單元接收到了來自L2的請求，由于該請求沒有攜帶數(shù)據(jù)，所以是讀請求。分流單元接收到讀請求的同時，圖 5.3 中tc_req_valid 為高，即相關標簽讀請求被發(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)讀請求，即圖 5.3 中 io_outer_acquire_valid為高時。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)響應給分流單元。之后分流單元的狀態(tài)機進入 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，操作產(chǎn)生單元將標簽值返回給了分流單元(由于內(nèi)存是虛擬的

讀請求的地址和內(nèi)存響應數(shù)據(jù)

第五章 標簽緩存的驗證與分析到在io_inner_grant_valid為高的第二拍，數(shù)據(jù)和標簽分別是64'h0000_0000_0000_0001和 2'h1，而其他都是 0。所以數(shù)據(jù)的傳輸是對的。我們已經(jīng)知道標簽響應的值是16'h0004。其第三位第四位確實是 2'h1，所以標簽值的傳輸也是對的。圖 5.3 中 io_inner_acquire_bits_addr_block 是 L2 發(fā)出的讀請求的內(nèi)存塊地址，在其低位補 6 個 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，通過式 3-3 的計算可以得到，原標簽表的起始地址是 32'hbcb_8d0a，和圖 5.3 中 tc_tt_addr 一至。所以標簽緩存對標簽地址的計算是正確的。

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本文編號：2781520