32位PowerPC处理器存储器管理单元的研究与验证

发布时间：2019-08-13 14:22

【摘要】：本课题来源于深圳国微电子有限公司所承接的“核高基”项目:设计一款基于Power PC体系结构的32位超标量、高性能X型微处理器。处理器是计算机产业乃至整个信息产业的基础,PowerPC处理器具有高性能,低功耗和稳定性强的特点,被广泛应用于网络通信,航空航天,工业控制,国防安全等领域。存储器管理单元是处理器的重要组成部分,存储器管理单元的使用解决了大程序装载、时分复用、存储保护、存储共享等一系列问题,大大提高了处理器的性能。本文主要对基于PowerPC体系结构的X型微处理器存储器管理单元进行研究与验证,具有非常重要的学术意义和现实意义。存储器管理单元基于虚拟存储器的思想,可以采用存储器分页技术(多级页表,反向页表)与存储器分段技术对进程与存储器进行划分。在地址转换中存储器管理单元通过快表(TLB)提高地址转换的速度,TLB的硬件结构与命中率由其采用的替换算法决定。存储器管理单元的主要功能是进行地址转换与存储保护。本文所研究的32位Power PC处理器有两个结构完全相同的存储器管理单元:分别对数据访问和指令访问进行地址转换。每个存储器管理单元包括四对块地址转换寄存器、16个段寄存器和一个128入口的TLB。存储器管理单元支持三种地址转换机制:实地址转换机制不进行地址转换直接将有效地址用作物理地址对物理存储器进行访问;块地址转换其实是采用分段技术将大小可配置的进程块映射为物理存储器中与该进程块大小相等的物理块;段页地址转换中结合了分段和分页技术,将要载入主存的连续进程先分段再按页划分,离散的映射到物理存储器中。存储器管理单元结合异常处理机制在块地址转换和段页地址转换过程中以块或页为单位进行存储保护。本文所研究的存储器管理单元采用了反向页表技术,与传统的页表结构相比大大减少了页表所占用的物理存储空间且在页表迁移过程中大大减少了页迁移、复制开销。存储器管理单元使用一对主、副哈希函数对反向页表中的页表项进行排序构造出哈希页表。在哈希页表中采用开地址法解决哈希冲突,最多可以保证16个进程同时在系统中运行,这使得X型处理器更适合进行多任务处理,与采用传统页表结构的处理器相比具有更强的性能。在对32位Power PC处理器存储器管理单元的结构与功能进行详细分析后,对MMU进行单独模块和系统级验证。根据存储器管理单元的功能特性提取可控制的测试功能点集合,并搭建了可重用性强、效率高的验证平台,对存储器管理单元的块地址转换,段页地址转换,地址保护机制、TLB结构与功能、TLB替换算法进行仿真验证。验证结果表明MMU能够很好的完成地址转换、地址保护功能;TLB结构与功能,TLB所采取的替换算法均满足设计要求。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP333

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本文编号：2526182