臺灣博碩士論文加值系統

由於最近VLSI技術日漸發達，對於講究高執行效率的微處理機更是大幅的提升效能。除
了在VLSI層次方面提升效能外，於結構設計技術層次亦是極為重要的研究發展。目前CPU的
速度是越來越快，然而最容易拖累速度的往往是資料存取，這乃是因為記憶體的週期時間
(cycle time)仍然無法趕的上CPU的週期時間；為了減少資料存取造成的的時間延遲，所以
快取記憶體(cache memory)是在高效能中央處理單元中不可缺少的一個重要元件，其目的在
儲存著最常使用的資料而讓其他層次的計憶體階層能夠迅速的存取資料，以提升中央處理機
的效能。正因為快取記憶體內的種種設計會影響到整個CPU的效能，所以我們將在x86超純量
微處理機中針對各種效能評估來設計快取記憶體。
我們使用了軟體的模擬針對不同的SPEC95來比較訂定出Data Cache所設計的規格，並針
對各種不同的資料快取記憶體型態和快取記憶體的一致性加以描述設計，除此之外，並對
MSHR和Write Buffer的設計加以探討和評估設計。最後對所設計的Data Cache以實際的硬體
描述語言Verilog來實作，並由Synopsys加以做轉換，而成為Gate level。
在最後，我們拿Data TLB和Instruction TLB為例子將轉換後的Gate level評估其Area
、Timing和Critical Path，並可針對其Critical Path加以改進其效能。

目錄2
圖表5
第一章總論7
1.1簡介7
1.2動機8
1.3相關的研究9
1.4論文架構9
第二章資料快取記憶體單元概論10
2.1 目前x86微處理機概論10
2.1.1 Intel Pentium10
2.1.2 Intel Pentium MMX12
2.1.3 Intel Pentium Pro13
2.1.4 Intel Pentium Ⅱ / Celeron15
2.1.5 Intel Pentium Ⅲ / Xeon16
2.1.6 AMD K517
2.1.7 AMD K618
2.1.8 AMD K6-2 (3DNow!)19
2.1.9 AMD K6-320
2.1.10 Cyrix MII21
2.2 現有資料快取記憶體單元技術22
2.2.1 內部多層次快取計憶體22
2.2.2 資料快取記憶體之特性23
2.2.3 資料寫回緩衝器23
2.3 目前資料快取記憶體單元之比較24
2.4 我們的設計概念25
第三章資料快取記憶體單元之設計26
3.1 資料快取記憶體單元之簡介26
3.2 資料快取記憶體內部架構設計27
3.2.1 記憶體型態控制單元27
3.2.2 記憶體型態之運作32
3.2.3 快取記憶體之一致性33
3.2.4 Write-Combing34
3.2.5 Non-Blocking Access34
第四章資料快取記憶體之實作35
4.1 資料快取記憶體的架構設計35
4.2 資料快取記憶體架構方塊之介面37
4.2.1 Interface of Data Cache37
4.2.2 Interface of TAG38
4.2.3 Interface of MESI39
4.2.3 Interface of DATA40
4.2.5 Interface of MSHR41
4.2.6 Interface of Write Buffer42
4.3 資料快取記憶體的流程架構和實作43
4.3.1資料快取記憶體控制器43
4.3.2 MSHR控制器46
4.3.3 Write Buffer 控制器49
第五章記憶體模擬環境、結果和評估51
5.1 資料快取記憶體評估51
5.1.1 模擬環境51
5.1.2 模擬模組53
5.1.3 模擬結果和分析54
5.2 DTLB的效能分析58
5.2 ITLB的效能分析59
第六章結論61
參考文獻62

[1] PentiumR Processor Family Developer's Manual, Volume 3: Architecture and Programming Manual, 1995
[2] Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 1: Basic Architecture, 1997
[3] Intel Architecture Software Developer's Manual, Volume 3: System Programming Guide, 1997
[4] Intel Corporation, Pentium Processor Family Developer's Manual, 1997
[5] Intel Architecture Optimizations Manual, 1997
[6] Intel Corporation, Pentium Pro Family Developer's Manual Volume 1: Specifications, 1996
[7] Intel Corporation, Pentium Pro Family Developer's Manual Volume 2: Programmer's Reference Manual, December1995
[8] Intel Corporation, Pentium Pro Family Developer's Manual Volume 3: Operating System Writer's Guide, December1995
[9] P6 Family of Processors - Hardware Developer Manual, September 1998
[10] Intel Corporation, Pentium II Processor Family Developer's Manual, October 1997
[11] AMD Corporation, AMD K5 Processor Technical Reference Manual, 1996
[12] AMD Corporation, AMD-K6 Processor Data Sheet, 1998
[13] AMD Corporation, AMD-K6-2 Processor Data Sheet, 1998
[14] AMD Corporation, 3DNow Technology Manual, 1998
[15] M.Slater, "Cyrix Doubles 6x86 Performance with M2" Microprocessor Report, Vol.10, No.14, October 28, 1996
[16] Cyrix Corporation, Cyrix MII Data Book, April 1998