32位DSP兩級(jí)cache的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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　　1 引言

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，DSP性能不斷提高，被廣泛應(yīng)用在控制，通信，家電等領(lǐng)域中。DSP內(nèi)部核心部件ALU具有極高的處理速度，而外部存儲(chǔ)器的速度相對(duì)較低，存儲(chǔ)系統(tǒng)已成為制約DSP發(fā)展的一個(gè)瓶頸。本文參照計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，利用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在DSP中引入二級(jí)Cache存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，在較小的硬件開銷下提高了DSP的工作速度。結(jié)合高性能低功耗DSP cache設(shè)計(jì)這個(gè)項(xiàng)目，對(duì)兩級(jí)cache的結(jié)構(gòu)和算法做了探討。

　　2 cache總體設(shè)計(jì)

　　傳統(tǒng)的存儲(chǔ)器主要由Dram組成，它的工作速度較慢，cache存儲(chǔ)器主要由SRAM組成。在DSP中，存儲(chǔ)系統(tǒng)可分層設(shè)計(jì)，將之分為兩部分：容量較小的cache存儲(chǔ)器和容量較大的主存儲(chǔ)器，cache中存放著和主存中一致的較常用的指令與數(shù)據(jù)。DSP執(zhí)行操作時(shí)可先向速度較快的cache取指令或數(shù)據(jù)，如果不命中則再從主存取指令或數(shù)據(jù)。通過提高cache的命中率可以大大加快DSP的整體運(yùn)行速度，從而緩解由存儲(chǔ)系統(tǒng)引起的瓶頸問題。

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　　圖1 cache的結(jié)構(gòu)及互連簡(jiǎn)圖

　　基于上述原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了DSP的cache總體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。圖中設(shè)計(jì)采用了兩級(jí)cache設(shè)計(jì)，第一級(jí)cache采用分立結(jié)構(gòu)，將指令cache和數(shù)據(jù)cache分開設(shè)計(jì)，這樣CPU可以對(duì)數(shù)據(jù)和指令進(jìn)行平行操作，結(jié)合DSP取址，譯碼，讀數(shù)，執(zhí)行的四級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，充分提高系統(tǒng)效率。二級(jí)cache采用統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)和指令共用一個(gè)cache，此時(shí)可以根據(jù)程序執(zhí)行的具體情況，二級(jí)cache自動(dòng)平衡指令和數(shù)據(jù)間的負(fù)載，從而提高命中率。DSP若在一級(jí)cache中未找到需要的指令和數(shù)據(jù)，則可在二級(jí)cache中尋找。此結(jié)構(gòu)下，一級(jí)cache找不到的數(shù)據(jù)和指令多數(shù)可在二級(jí)cache中找到，提高了整個(gè)cache系統(tǒng)的命中率。

　　增加一級(jí)cache的容量可提高命中率，但隨著cache容量增大，電路結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，所用的芯片面積、功耗也會(huì)加大，而且cache的訪問時(shí)間也會(huì)變長(zhǎng)，從而影響到ALU的速度。綜合考慮速度，面積，功耗等因素，我們把一級(jí)指令cache和數(shù)據(jù)cache的容量均定為4KB。

　　二級(jí)cache處于一級(jí)cache和主存儲(chǔ)器之間，訪問時(shí)間是3到4個(gè)ALU時(shí)鐘周期，其容量一般是為一級(jí)cache的4到8倍。設(shè)計(jì)中我們將二級(jí)cache的容量為定位32KB。

　　3 cache的映射方式與地址結(jié)構(gòu)

　　cache采用的映射方式通常有直接映射、關(guān)聯(lián)映射、組關(guān)聯(lián)映射三種，直接映射命中率低，容易發(fā)生抖動(dòng)，關(guān)聯(lián)映射雖然命中率較高，但電路復(fù)雜，權(quán)衡電路復(fù)雜性和命中率，我們主要采用組關(guān)聯(lián)映射方法。在組關(guān)聯(lián)映射中，可將主存空間分成塊，cache空間分為組，一組包含多行，行的大小與塊的大小相等。主存中的特定塊只能映射到cache中的特定組，但可以映射到組內(nèi)的不同行。若用j表示主存的塊號(hào)，i表示cache中的組號(hào)，m表示cache的總行數(shù)，當(dāng)cache分為v個(gè)組，每組k個(gè)行時(shí)，存在以下關(guān)系(見公式1、2)，

　　設(shè)計(jì)中二級(jí)cache采用4路組相聯(lián)的結(jié)構(gòu)，分為共256組，每組4行，每行8個(gè)32位單元，總?cè)萘课?2KB。cache的控制邏輯將存儲(chǔ)器地址簡(jiǎn)單的分為三個(gè)域：標(biāo)記域，組號(hào)和字。為了降低系統(tǒng)的功耗，采用了標(biāo)記(tag)和數(shù)據(jù)體相分離的方案。為了加快訪問速度，把cache中行號(hào)相同的塊放在一個(gè)數(shù)據(jù)體中實(shí)現(xiàn)。這樣cache就可分為4個(gè)標(biāo)記存儲(chǔ)器，4個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。每個(gè)標(biāo)記存儲(chǔ)器可放256個(gè)標(biāo)記，每個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體有256行數(shù)據(jù)。地址的劃分如圖2，tag的結(jié)構(gòu)見圖3。

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　　圖2 二級(jí) cache的地址劃分

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