科技创新研究国际杂志
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约格什瓦特尔一号.A.S.Khobragade2
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高效缓存控制器设计适配FPGA处理器半导体内存可高速操作提供所有主内存极高速半导体内存是不经济的问题可以通过引入小块高速存储器即主存储器和处理器之间的缓存来缓解集成映射折中完全关联缓存和直接映射缓存并增速关于设置关联缓存,我们设计缓存控制器空间参照点用于跟踪缓存误差FPGA缓存控制器我们相信设计工作实现电路复杂性低、电耗少和高速度FPGA资源使用
关键字 |
| 缓存标签存储器、缓存控制器、对数缓存标签比较器、缓存数据存储器 |
导 言 |
| 可编程门阵列最近因成功应用计算而引起注意最近的工作显示使用FPGA硬件实现计算有可能提高能源效率和吞吐量比实现软件运行常规处理器计算处理器/加速器系统可以使用各种存储器结构,常用方法则处理器和加速器共享数据时由缓存和主存储器组成共享存储器层次模型的优缺点是简单化,因为尽管有潜在限制,缓存一致性机制不需使用共享存储模型作为初始调查基础,结果应用多缓存假想处理器共享数据并并行加速器通过共享L1缓存访问,使用FPGA内存实现处理器一般能快速操作大于容量大主存储器存取时间半导体内存可与处理器操作速度相仿,但向所有主内存提供高速半导体内存并非经济实惠问题可以通过引入小块高速存储器即主存储器和处理器之间的缓存来缓解缓存系统芯片内存元件存储数据直接机制中存储于缓存中的所有字必须有不同的索引标签可能相同或不同完全联想式中,块可取代任何其他块并可在任何地方部署,但完全联想式记忆成本运行相对慢集联映射允许存取有限数块缓存,并有相同的索引和不同的标签,并因此可视之为完全关联缓存和直接映射缓存之间的折中缓存控制器用于跟踪缓存误率微处理器请求的任何数据都存缓存中,则词名Cache hit存储缓存数据与内存相比的长处在于它检索时间快,但它有芯片耗能的劣势论文处理高效缓存设计以检测缓存误率和少耗电缓存库可用于未来设计FPGA基础缓存控制器 |
二.System系统概述 |
| 缓存控制器微处理器和缓存间通信执行内存相关操作设计功能解释如下缓存控制器接收微处理器想访问缓存控制器寻找L1缓存地址L1缓存地址通过数据总线向微处理器提供数据L1缓存中找不到地址后会发生缓存误差缓存控制器取缓存L2中相同地址L2缓存地址向微处理器提供定位数据相同的数据将替换缓存L1L2缓存中找不到地址后会发生缓存误差 |
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| 论文编程中,我们设计四向联动缓存(L1)检测缓存误差率和少耗电量并跟踪缓存误差 |
三.设计工作 |
| 设计工作时,我们设计四向搭建缓存L1使用FPGA四向搭建缓存文档处理设计四维联动缓存检测缓存缺失并设计缓存控制器跟踪缓存缺失缓存内存设计由缓存标签内存、缓存标签参照器、计数器、缓存数据内存和地址字段分离器组成微处理器请求地址与主存储器数据地址比较,这些主存储器由缓存标签参照器帮助存储请求地址在缓存标签存储器中发现后会发生缓存点击,并给微处理器提供数据存储中请求地址的相应数据请求地址不在缓存标签存储器中时会发生缓存误差减少缓存误差 我们设计缓存控制器请求地址缺失后缓存控制器生成地址范围地址范围无关紧邻请求地址由缓存控制器向微处理器提供地址以替换缓存标签内存这会减少缓存误差 |
四.Cache记忆 |
| 缓存系统芯片内存元件存储数据缓存用于提高处理器和主存储器之间的数据传输率4维搭建缓存由下列模块组成 iche标签存储器2缓存数据3缓存器3缓存器3缓存器ache标签存储主存储器中数据地址缓存标签内存模型使用VHDL模拟行为风格(例如:22位缓存标签内存)。图2显示缓存标签内存图22位设计四维关联缓存lkB需要四种方式 即标签存储量和数据存储量256字节e+++0执行阅读操作 |
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| 数据存储标签内存将表示主内存地址微处理器请求地址时,它会与缓存标签内存中的数据比较,由缓存标签参照器帮助.b.8位计数器生成8位位地址用于写读缓存8位计数器模型使用VHDL模拟行为风格 |
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| 图3显示8位计数器图时钟脉冲计数器加一8-Bit计数器提供8-Bit地址写读操作时缓存标签C.缓存标签比较器使用 22位缓存标签比较器使用 微处理器请求地址并存储标签存储22位缓存标签比较器仿真使用VHDL模拟行为风格 |
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| 图4显示图22位缓存标签比较设计四维关联缓存lKB,我们需要四组 类似22位缓存标签比较22位缓存标签比较微处理器请求的22位地址和存储标签内存的22位地址微处理器请求的地址字段分离器地址32位数,其中使用22位数地址与标签地址8位数地址比较,并使用2位数地址抵减字地址.图5显示物理存储地址 |
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| 分离微处理器请求地址举例说,微处理器请求地址32位数,其中22位数地址与标签地址8位数用法比较,提供存储器位置地址,2位数地址用法抵减字数 |
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E.缓存数据存储器 |
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| 缓存数据内存存储主内存数据如图7所示我们设计了四种方式 256字节缓存设计4方式搭建1KB缓存.如果微处理器请求地址显示缓存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存内存 |
V级CACHE控制器 |
| 缓存错误检测后 缓存控制器会跟踪缓存误差减少缓存误差,我们设计缓存控制器如图8所示缓存控制器设计基于引用空间局部性空间定位指向请求地址缺失后缓存控制器生成地址范围地址范围无关紧邻请求地址由缓存控制器向微处理器提供地址范围,以替换介于此区域之间的地址并存缓存标签这会减少缓存误差 |
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六.RTL视频CaCHE控制器 |
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| 上图显示用缓存控制器实现四向缓存实现缓存和缓存控制器合成时使用XilinxISE13.1平台初始地址写入缓存标签内存微处理器请求32位地址后,地址场分离器将分离地址并使用32位中前10位处理目的,并使用22位地址与缓存标记存储器中的22位地址作比较22位缓存标签比较器请求地址缓存后会发生缓存并相应数据通过32位数据传递给微处理器如果缓存误差会发生,缓存控制器会生成地址范围与请求地址相关,而地址范围则向微处理器提供缩略微处理器将在此范围内替换地址到缓存标签内存 |
七.模组结晶 |
| 图10显示缓存和缓存控制器模拟结果以跟踪缓存误差缓存控制器使用VHDL混合模式设计模拟结果发现,如果微处理器请求地址与存储缓存标签存储地址匹配,缓存攻击就会发生,如果不发生缓存误差则会发生缓存误差发生后缓存控制器生成地址范围 |
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八.结论 |
| 并设计缓存控制器 跟踪缓存误差这种方法对许多现代嵌入式应用大有帮助,高性能和低功率对这两个应用都非常重要。缓存和缓存控制器可用于FPGA基础处理器 |
引用 |
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