64位微处理器中数据缓存的设计与实现

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1、同济大学电子与信息工程学院硕士学位论文64位微处理器中数据缓存的设计与实现姓名：贺宁申请学位级别：硕士专业：微电子学与固体电子学指导教师：林正浩20070301摘要微处理器是信息产品中不可缺少的部件，它有通用和专用两种。微处理器设计是集成电路设计中最复杂．也最具挑战性的工作。本论文设计研究工作来源于国家科技部863项目——9具有自主知识产权的64位高性能嵌入式微处理器的设计”，该项目的设计过程采用了目前国内少有的微处理器设计方法——全定制设计方法，充分利用而又不依赖EDA工具进行设计。弥补了半定

2、制设计的不足。论文首先分析了我国开发具有自主知识产权的微处理器的重要性和必要性，介绍了集成电路设计方法和全定制设计流程。然后详细分析了高速缓冲存储器(Cache)的结构和基本原理，在此基础上，对多核处理器的缓存进行研究，介绍了SMP结构分类和解决Cache一致性的方案，另外．介绍了三种具有代表性的SCMP模型——POWEIt4-IBM，Hydra．Stanford，SMPDCA；并分析比较了三种模型的利弊；提出了四核处理器缓存系统的设计方案。本文着重介绍了基于MIPSR4000指令集的五段流水线

3、的数据高速缓存的全定制设计，包括电路设计、电路前仿真、版图设计、版图验证、版图参数提取、后仿真在内的全部后端设计。设计时将系统分为数据通道和控制逻辑两部分，数据通道部分采用手工设计电路，手工绘制版图的全定制设计，控制逻辑采用综合、自动布局布线的方法。设计采用哈佛总线结构．分离的4KB的数据Cache和4KB的指令Cache。采用直接映象的映象方式，虚拟地址索引、物理地址与TAG比较判断是否命中，采用了LRU替换策略。关键词；高速缓冲存储器，全定制，电路和版图设计，版图验证，多核处理器Abstra

4、ctABSTRACTMicroprocessorisallindispensabledeviceininformationproduct．Therearetwotypes：genericandspecialapplication．Andthedesignofmicroprocessorisverytoughandchanllenge．ThispaperfocusontherBse盯chanddesignofCachein64-bithi【ghperformancemicroprocessor,a

5、nNationalScienceandTechnologyMinistry863projeel，usingfullcustomerdesignflow,whichTakefulluseofEDAtoolsandimprovethedeficiencyofcustomerdesign．Atfirst，Weanalysetheimportanceofdevelopingindependenceintelligencepropertycore，ICdesignmethodsandfullcustome

6、rdesignflow．ThenanalysecacheinMultiprocessors，introducetheSMPandthemethodstosolvetheCachecoherence；andintroducekindsofSCMP～POWER4·IBM，Hydra—Stanford，SMPDCAandcomparethem．Haveideasonfour-coreCPUcache．Wedetailedanalysethearchitectureandthetheoryofcache

7、，detailedexplainthefullcustomerdesignoftheCachebasedonMIPSR40005一stageinstructionarchitecture，includethecircuitdesign，pre·layoutsimulation，layoutdesign，layoutverification，layoutparameterextractionandpost—layoutsimulation．Thereatetwosections一一datapath

8、sectionandcontrolunit．Wepotonthefull-customdrcuitandlayoutdesigninthedatapathsection，andthesynthesismethodinthecontrolunit．Realizingahavardstructure，separate4KBICacheand4KBDCache，Directmap，virtuallyindexedandphysicaltagged，andLRUreplacementstrategy．K