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。弥补了半定制设计的不足。论文首先分析

2、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的数据高速缓存的全定制设计，包括电路设计、电路前仿真

3、、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AbstractABSTRACTMicroprocessorisallindispensa

4、bledeviceininformationproduct．Therearetwotypes：genericandspecialapplication．Andthedesignofmicroprocessorisverytoughandchanllenge．ThispaperfocusontherBse盯chanddesignofCachein64-bithi【ghperformancemicroprocessor,anNationalScienceandTechnologyMinistry863projeel，usin

5、gfullcustomerdesignflow,whichTakefulluseofEDAtoolsandimprovethedeficiencyofcustomerdesign．Atfirst，Weanalysetheimportanceofdevelopingindependenceintelligencepropertycore，ICdesignmethodsandfullcustomerdesignflow．ThenanalysecacheinMultiprocessors，introducetheSMPandt

6、hemethodstosolvetheCachecoherence；andintroducekindsofSCMP～POWER4·IBM，Hydra—Stanford，SMPDCAandcomparethem．Haveideasonfour-coreCPUcache．Wedetailedanalysethearchitectureandthetheoryofcache，detailedexplainthefullcustomerdesignoftheCachebasedonMIPSR40005一stageinstruct

7、ionarchitecture，includethecircuitdesign，pre·layoutsimulation，layoutdesign，layoutverification，layoutparameterextractionandpost—layoutsimulation．Thereatetwosections一一datapathsectionandcontrolunit．Wepotonthefull-customdrcuitandlayoutdesigninthedatapathsection，andthe

8、synthesismethodinthecontrolunit．Realizingahavardstructure，separate4KBICacheand4KBDCache，Directmap，virtuallyindexedandphysicaltagged，andLRUreplacementstrategy．K