Cache结构的低功耗可重构技术研究

运行过程中，通过软件监测自动选择优化的Cache结构。一般采用启发式算法，即根据程序过去执行的状况预测未来的运行情况，并为其配置相应的优化结构。重构流程是：运行的时候，CPU按固定的时间间隔检查一系列的硬件计数器；这些计数器记录上一时间段内的Cache缺失率和分支跳转的发生频率，如果改变的程度超过设定阈值则进入重构过程，否则程序继续运行。

　　图3是可重构算法的状态图。RESET为程序开始运行时的初始状态；UNSTABLE为非稳定状态，该状态下进行结构的搜索与重构；STABLE为选择好优化的Cache结构进入稳定运行的状态；TRANSl，TRANS2为状态相互切换时的中间状态。图4是在UNSTABLE状态下的搜索流程。首先根据统计将各种配置的Cache结构按照失效率进行排序。进入重构搜索状态后，如果引起重构的原因是失效率的上升，则沿着排序表开始，朝失效率降低的方向依次搜索新的Cache结构。如果引起重构的原因是程序分支频率的改变，则需要搜索所有的Cache 结构。

　　2．3 可重构Cache中问题

　　(1)数据重名问题

　　Cache中的数据重名问题是指主存中同一地址的数据同时出现在Cache中两个不同的位置。实地址Cache中本来不存在数字重名问题，但引入可重构概念的同时，也带来了数据重名问题。解决这一问题的简单办法是在Cache重构的时候让Cache中的内容全部无效，需要写回的内容都进行写回。但这样会导致Cache性能下降，特别是在Cache重构比较频繁的时候。但是如果动态重构的指令片段较大，则影响比较小。

　　(2)映射错误问题

　　Cache在重构时，其组数量会变化，从而导致需要比较的Tag位的数量也发生变化，这会导致映射错误的出现。为了保证处于任何一种状态的时候都有足够的Tag来做比较，按照Tag位最长的一种配置来保存Cache地址结构，也就是组数量最少的情况。这样做虽然会增加一些无用的比较，但却能避免刷新Cache带来的性能损失。

　　
结论

　　本文在传统Cache结构的基础上分析了一种可重构Cache的体系结构及其动态重构的配置算法，指出了可重构Cache可能会遇到的问题。通过对传统Cache结构的改进，在嵌入式处理器上实现Cache可重构技术，这对嵌入式处理器的存储器体系结构功耗优化有着重要意义。可重构Cache的设计方法具有非常好的低功耗潜力，也是目前计算机体系结构方面的研究热点之一。