高性能低功耗嵌入式内存管理单元设计研究

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1、浙江大学硕士学位论文摘要摘要随着嵌入式应用设计复杂度不断提升，存储管理成为嵌入式系统软硬件设计的重点和难点。虚拟存储技术是一种基于操作系统的相对于软件透明的存储管理方法，有效简化了应用软件的内存管理模式，提高程序的可移植性。集成于处理器中的内存管理单元是虚拟存储技术的硬件基础，但传统TLB(TranslationLook．asideBuffer)设计技术硬件成本高且功耗明显，是嵌入式处理器设计的主要瓶颈。本文重点研究高性能低功耗的嵌入式内存管理单元架构设计的关键技术，主要研究内容和创新点包括：1、基于高速缓存资源共享的TLB设计技术。由于TLB与

2、片上高速缓存具有类似的存储结构和访问模式，本文提出了一种通过复用Cache存储资源的高性能低功耗TLB设计方法，消除了传统方法中TLB存储器的硬件资源及静态功耗，减小了芯核面积。该方法通过设立缓存地址映射表，记录TLB表项在缓存中的地址映射，可有效减少缓存中TLB表项的访问次数，降低动态功耗。2、多进程TLB表项共享缓存行窗口的设计方法。通过将缓存行划分成不同的进程窗口，防止进程切换时TLB表项的频繁替换。充分利用高速缓存的结构特性实现了TLB表项的动态扩展，解决了传统TLB设计表项数的受限问题，扩大对物理内存的映射范围，提升TLB的命中率。进一

3、步提出了一种复用缓存替换策略的TLB表项的编码加锁方法，最大限度地缓和TLB表项与指令、数据的资源冲突。3、支持多页面大小的两级TLB低功耗架构技术。该方法有效解决浙江大学硕一L学位论文摘要了TLB和数据、指令访问高速缓存的资源冲突，减少缓存中TLB表项的访问次数。其中第一级TLB经扩展后可动态支持两种页面大小，无需操作系统的支持，提升第一级TLB的命中率。实验结果表明，与传统的TLB设计相比，应用本方法的嵌入式处理器的功耗下降28．11％，面积减少21．58％，性能基本持平。本文提出的若干TLB关键技术对于嵌入式处理器提升性能、降低功耗、减小面

4、积等具有积极的意义。关键词嵌入式内存管理单元；片上高速缓存；地址转译旁路缓冲器；资源复用；低功耗；编码加锁机制；动态扩展；多进程共享；通用协处理器接1：2；协处理器扩展浙江大学硕士学位论文AbstractWiththedevelopmentofcomplicatedembeddedapplications，memorymanagementhasbecomethefocusandthedifficultpartofHW-SWdesigninhigh-endembeddedprocessors．Virtualmemorytechniqueisanef

5、fectivememorymanagementmethod，whichistransparenttosoftwarebasedonoperatingsystem．Thiscansimplifythememorymanagementmodeandenhancetheportabilityofapplicationsoftware．Meanwhile，memorymanagementunit(MMU)，themajorconcemofpowerconsumptionandareacostofembeddedprocessors，isimplement

6、edinhardwaretorealizevirtualmemorytechnique．InthisthesisweproposesomekeytechniquesofembeddedTLBforhighperformanceandlowpowerimplementationofembeddedMMU．Theoriginalcontributionsofthisthesisareasfollows：1．ATLBdesignmethodbasedoncacheresourcereusing．Thisthesisanalyzedthesimilari

7、tybetweenTLBandCacheentryinstoragestructureandaccessingbehavior,andthenproposedanewTLBdesignmethodbasedonreusingcachehardwareresourceforlowerpowerconsumptionandsmallerareacostinembeddedprocessor．Thismethodsetupcacheaddressmappingtable，whichrecordedthelocationofTLBentryinCache

8、，todecreaseTLBaccesseswithlessdynamicpowerconsumption．2．Aninnovation