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随着VLSI技术的迅猛发展,处理器主频日益提高,而存储器的速度提升相对缓慢,处理器和存储器之间速度的差距越来越大,存储器层次结构则很好的弥补了高速处理器和低速存储器之间的鸿沟。在存储器层次结构中,二级高速缓存位于一级缓存和内存之间,当CPU及其他环境不变时,增加二级缓存能使性能大幅度提高。为此,本设计在UniCore-2处理器中加入了二级高速缓存,以实现处理器性能的提升。
本文完成了UniCore-2处理器中二级高速缓存的的功能需求分析,设计实现了二级高速缓存,并完成了模块验证和集成验证工作,二级高速缓存的典型工作频率达1GHz以上。本文工作概括如下:
1.完成了二级高速缓存的需求分析。本文对多款主流处理器所采用的二级高速缓存进行了广泛调研,对不同需求下二级高速缓存的特性进行了详细对比,最后面向按序执行的UniCore-2处理器,对二级高速缓存模块进行了全面、细致的需求分析。
2.完成了二级高速缓存的结构设计。本文基于二级高速缓存的需求分析结果确定了二级高速缓存的功能特性和参数设置,设计了它的外部接口与时序、划分了内部模块,并设计了二级高速缓存的详细数据通路与控制逻辑。
3.完成了二级高速缓存的功能验证。本文制定了详细的功能验证大纲,明确了验证手段和各个功能点的验证方案。针对单个功能点和组合功能点编写汇编测试用例,搭建扩展性优良的验证环境。采用了模块验证和系统集成验证相结合、定向验证和随机验证相结合的验证手段。在完成模拟验证的基础上,进一步完成了FPGA原型验证。
本文设计的二级高速缓存在65nm工艺库下典型工作频率达1GHz以上;能成功应用于UniCore-2处理器这样的按序执行处理器,提高处理器性能;在面向多核架构的项目中,本设计仍然具有较好的参考性和可复用性。