PLRU替换算法在嵌入式系统cache中的实现
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ＮＯ １ ． Ｆ ｂ． ２ ０ ｅ ， ０１
微
处
理
机
ＭＩ ＣＲＯＰ ＲＯＣＥ Ｓ Ｓ Ｓ ＯＲ
第 １期 ２１ ０ ０年 ２月
ＰＲ Ｌ Ｕ替 换算 法在 嵌 入式 系统 ｃｃｅ中的实现 ａｈ
李 洪， 毛志刚
（ 海 交通大 学微 电子 学院 ， 海 ２０ ４ ） 上 上 ０２０
摘
ｇ ｐ ａ ｄ ｂｅ ｏ ｓ ｔｅ ｃ ｔ ａ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｆ ｃｏ ｆｓ ｓｅ ． ｅ ｒｐ ａ ｅ ｎ ｏｉｙ ｉ ｈｅ ｍａ ｎ ｆｃｏ ｆ ａ ｎ ｃ ｍｅ ｒ ｉ ｌｐ ｒｏ ｍａ ｃ ａ ｔｒ ｏ ｙ ｔ ｍｓ Ｔｈ ｅ ｌ ｃ ｍｅ ｔｐ ｌｃ ｓ ｔ ｉ ａ ｔｒｏ ｈ ｉ ｃ ｃ ｃ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ． ｉ ｌ ｙ ｔ ｏ ｌｘ ｔ ｆｉ ｌ ｍｅ ｔ ｔ ｎ， ｓ ＬＲＵ ｅ ｌｃ ｍｅ ｔｐ ｌ ｙ ｗｈ ｃ ａ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ Ｔｏ ｓｍｐ ｉ ｈｅ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ａｉ ｗｅ ｕ ｅ Ｐ ｆ ｆ ｙ ｏ ｒ ｐ ａ ｅ ｎ ｏ ｉ ｉｈ ｃ
年 ６ ％ 的速度在增 长 ， ０ 而主 存储 器 芯 片 带宽 仅仅 以 每年 １％ 的速度在 增长 。在 速 度方 面 ， ０ 主存储 器 和
ｃｃｅ ａｈ 替换算法是影响 ｃｃｅ ａｈ 性能的主要因素， 常见 的 ｃｃｅ替 换 算 法 有 Ｌ Ｕ、ＩＯ 和 Ｒ Ｎ Ｏ ａｈ Ｒ ＦＦ Ａ Ｄ Ｍ。 ＦＦ ＩＯ和 Ｒ Ｎ Ｏ Ａ Ｄ Ｍ算法实现简单 ， 但是性能不佳 ， 而 常用的 Ｌ Ｕ算法性能最佳 ， Ｒ 但是实现过于复杂 ， 同
Baidu Nhomakorabea
要： 合理 的ｃｃｅ ａｈ 设计是缩小处理器和存储器速度差距的主要解决方法， 也是影响系统性
能的关键 因素之 一。ｃｃｅ替换 策略是 影 响 ｃｃｅ性 能的主要 因素 ， ａｈ ａｈ 目前 最常用 的替换 算 法是 Ｌ Ｕ Ｒ 算 法 ， 了降低模 块 复杂度 和 实 现 的难度 ， Ｌ Ｕ 算法简 化 出一种 Ｐ Ｒ Ｐｅｄ Ｒ ） 为 从 Ｒ Ｌ Ｕ（ ｓｕ ｏＬ Ｕ 替换 算法 。
越来越 受 主存 储器性 能 的限制 。处 理器 的性 能 以每
的要求。如果一次访 存的数据在 ｃｃｅ ａｈ 中命 中， 那
么 只需要 １或 ２个处 理器 周 期 就 能够 得到 数据 ； 但 如果所 需要 的数 据 不 在 ｃｃｅ中 ， 么 往 往需 要 高 ａｈ 那
一
个数量级 的处理器周期来得到数据 。
通过采用开源的 Ｓ ｐ Ｓａ ｒ ｉ ｌ ｃｌ 仿真工具 ， Ｌ Ｕ、 Ａ Ｄ Ｍ、ＩＯ Ｐ Ｒ ｍ ｅ ａ 对 Ｒ Ｒ Ｎ Ｏ ＦＦ 、Ｌ Ｕ等各种 常见 的 ｃｃｅ ａｈ 替换 算法进行 了性能比较和分析 ， 并对 Ｐ Ｒ Ｌ Ｕ进行实现。实验结果表明， 使用 Ｐ Ｒ Ｌ Ｕ替换算法 ｃｃｅ的 ａｈ 缺失率与 Ｌ Ｕ算法基本相同， Ｒ 但是有着更小的面积和更短的关键路径。
文章 编号 ：０２— ２９ ２ １ ）１— ０６— ４ １０ ２７ （０ ０ Ｏ ０ １ ０
Ｔｈ ｓｇ ｆＰＬ ｃ ｅ ｉ ｍ ｂ ｄ ｅ ｓｅ ｅ Ｄｅ ｉｎ ｏ ＲＵ Ｃａ ｈ ｎ Ｅ ｅ ｄ ｄ Ｓｙ ｔ ｍ
Ｌ ｎ ＭＡＯ ｉ—ｇ ｎ Ｉ Ｈｏ ｇ， Ｚｈ ａｇ
（ ｃｏｌｆｍｃｏｌ ｔ ｎｃ，ｈ ｎｈ ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒｔ，ｈ ｎｈ ｉ ０ ２０ Ｃ ｉ ） Ｓｈｏ ｏ ｉ ｅ ｃｏ ｉ Ｓａ ｇ ａ Ｊ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ Ｓａ ｇ ａ ２ ０ ４ ， ｈｎ ｒ ｅｒ ｓ ａｏ ｖ ｓｙ ａ
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ｃ ｃ ｅ ｓｚ ｓ ａ ｄ ｄ ｇ ｅ ｓｏ ｓｏ ｉ ｔ ｉ ｅ ． ａ ｈ ｉｅ ｎ ｅ ｒ ｅ ｆａ ｓ ｃａｉ ｔ ｓ ｖｉ Ｋｅ ｒ ｓ： ＲＵ； ｍｐ ｅ ｃ ｌ ｒ Ｃａ ｈ ｙ ｗｏ ｄ ＰＬ Ｓｉ ｌＳ ａａ ； ｃ ｅ
１ 引 言
随着计 算 机 系统 的迅 速 发 展 ， 代计 算 机 系统 现
ｃ ｍｅｆｏ ｔｅ ｍｏ ｔｃ ｍｍｏ ｌ ｓ ｄ ｒ ｐ ａ ｅ ｎ ｏｉｙ Ｌ Ｕ． ｅ ａ ｓ ｓ ｅ Ｓ ｍｐ ｅ ｃ ｌｒｔ ｉ ｌｔ ｏ ｒｍ ｈ ｓ ｏ ｎ ｙ ｕ ｅ ｅ ｌ ｃ ｍｅ ｔ ｐ ｌ Ｒ Ｗ ｌｏ ｕ ｅ ｔ ｉ ｌ Ｓ ａａ ｏ ｓ ｃ ｈ ｍｕ ａｅ ｓ ｖ ｒｌｒ ｐ ａ ｅ ｎ ｏｉ ｉｓ ｏ ａ ｈ ｏ ｃ ｍｐ ｒ ｈ ｉ ｅ ｏｍａ ｃ ． ｎ ｅ ｉ ｌｍｅ ｔｔｅ Ｐ Ｒ ｔ ａ ｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｌｃ ｍｅ ｔｐ ｌ ｅ ｆｃ ｃ ｅ ｔ ｏ ａ ｅ ｔ ｅｒｐ ｒ ｒ ｎ ｅ Ａ ｄ ｗ ｃ ｆ ｍｐ ｅ ｎ ｈ Ｌ Ｕ ａ ｓ． ｌ Ｏｕ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｈ ｔ ｅ Ｐ ＲＵ ｃ ｎ ａ ｐ ｏ ｉ ｔ ＲＵ ｗ ｔ ｃ ｏ ｒ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｏ ｉ ｅ ｖ ｒ ｔ ｏ ｒｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ Ｌ ａ ｐ ｒ ｘｍａ ｅ Ｌ ｉ ｍｕ ｈ ｌｗｅ ｏ ｌ ｘｔ ｆ ｒａ ｗ ｄ ａ ｅ ｙ ｆ ｓ ｈ ｔ ｈ ｙ ｉ
关键词 ： Ｌ Ｕ算法 ；ｉ ｌ ｃｌ 平 台； 伪 Ｒ Ｓｍｐｅ ａ ｒ Ｓ ａ 高速 缓存
Ｄ Ｉ 码 ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ ２— ２ ９ ２ １ ． １０ ５ Ｏ编 １ ．９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ ２ ７ ．０ ０ Ｏ ．０ ｓ
中图分 类号 ：Ｐ３ ． Ｔ ３２ ３
文 献标识 码 ： Ａ
微
处
理
机
ＭＩ ＣＲＯＰ ＲＯＣＥ Ｓ Ｓ Ｓ ＯＲ
第 １期 ２１ ０ ０年 ２月
ＰＲ Ｌ Ｕ替 换算 法在 嵌 入式 系统 ｃｃｅ中的实现 ａｈ
李 洪， 毛志刚
（ 海 交通大 学微 电子 学院 ， 海 ２０ ４ ） 上 上 ０２０
摘
ｇ ｐ ａ ｄ ｂｅ ｏ ｓ ｔｅ ｃ ｔ ａ ｅ ｆｒ ｎ ｅ ｆ ｃｏ ｆｓ ｓｅ ． ｅ ｒｐ ａ ｅ ｎ ｏｉｙ ｉ ｈｅ ｍａ ｎ ｆｃｏ ｆ ａ ｎ ｃ ｍｅ ｒ ｉ ｌｐ ｒｏ ｍａ ｃ ａ ｔｒ ｏ ｙ ｔ ｍｓ Ｔｈ ｅ ｌ ｃ ｍｅ ｔｐ ｌｃ ｓ ｔ ｉ ａ ｔｒｏ ｈ ｉ ｃ ｃ ｃ ｅ ｐ ｒｏ ｍａ ｃ ． ｉ ｌ ｙ ｔ ｏ ｌｘ ｔ ｆｉ ｌ ｍｅ ｔ ｔ ｎ， ｓ ＬＲＵ ｅ ｌｃ ｍｅ ｔｐ ｌ ｙ ｗｈ ｃ ａ ｈ ｅ ｒ ｎ ｅ Ｔｏ ｓｍｐ ｉ ｈｅ ｃ ｍｐ ｅ ｉ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ａｉ ｗｅ ｕ ｅ Ｐ ｆ ｆ ｙ ｏ ｒ ｐ ａ ｅ ｎ ｏ ｉ ｉｈ ｃ
年 ６ ％ 的速度在增 长 ， ０ 而主 存储 器 芯 片 带宽 仅仅 以 每年 １％ 的速度在 增长 。在 速 度方 面 ， ０ 主存储 器 和
ｃｃｅ ａｈ 替换算法是影响 ｃｃｅ ａｈ 性能的主要因素， 常见 的 ｃｃｅ替 换 算 法 有 Ｌ Ｕ、ＩＯ 和 Ｒ Ｎ Ｏ ａｈ Ｒ ＦＦ Ａ Ｄ Ｍ。 ＦＦ ＩＯ和 Ｒ Ｎ Ｏ Ａ Ｄ Ｍ算法实现简单 ， 但是性能不佳 ， 而 常用的 Ｌ Ｕ算法性能最佳 ， Ｒ 但是实现过于复杂 ， 同
Baidu Nhomakorabea
要： 合理 的ｃｃｅ ａｈ 设计是缩小处理器和存储器速度差距的主要解决方法， 也是影响系统性
能的关键 因素之 一。ｃｃｅ替换 策略是 影 响 ｃｃｅ性 能的主要 因素 ， ａｈ ａｈ 目前 最常用 的替换 算 法是 Ｌ Ｕ Ｒ 算 法 ， 了降低模 块 复杂度 和 实 现 的难度 ， Ｌ Ｕ 算法简 化 出一种 Ｐ Ｒ Ｐｅｄ Ｒ ） 为 从 Ｒ Ｌ Ｕ（ ｓｕ ｏＬ Ｕ 替换 算法 。
越来越 受 主存 储器性 能 的限制 。处 理器 的性 能 以每
的要求。如果一次访 存的数据在 ｃｃｅ ａｈ 中命 中， 那
么 只需要 １或 ２个处 理器 周 期 就 能够 得到 数据 ； 但 如果所 需要 的数 据 不 在 ｃｃｅ中 ， 么 往 往需 要 高 ａｈ 那
一
个数量级 的处理器周期来得到数据 。
通过采用开源的 Ｓ ｐ Ｓａ ｒ ｉ ｌ ｃｌ 仿真工具 ， Ｌ Ｕ、 Ａ Ｄ Ｍ、ＩＯ Ｐ Ｒ ｍ ｅ ａ 对 Ｒ Ｒ Ｎ Ｏ ＦＦ 、Ｌ Ｕ等各种 常见 的 ｃｃｅ ａｈ 替换 算法进行 了性能比较和分析 ， 并对 Ｐ Ｒ Ｌ Ｕ进行实现。实验结果表明， 使用 Ｐ Ｒ Ｌ Ｕ替换算法 ｃｃｅ的 ａｈ 缺失率与 Ｌ Ｕ算法基本相同， Ｒ 但是有着更小的面积和更短的关键路径。
文章 编号 ：０２— ２９ ２ １ ）１— ０６— ４ １０ ２７ （０ ０ Ｏ ０ １ ０
Ｔｈ ｓｇ ｆＰＬ ｃ ｅ ｉ ｍ ｂ ｄ ｅ ｓｅ ｅ Ｄｅ ｉｎ ｏ ＲＵ Ｃａ ｈ ｎ Ｅ ｅ ｄ ｄ Ｓｙ ｔ ｍ
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（ ｃｏｌｆｍｃｏｌ ｔ ｎｃ，ｈ ｎｈ ｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒｔ，ｈ ｎｈ ｉ ０ ２０ Ｃ ｉ ） Ｓｈｏ ｏ ｉ ｅ ｃｏ ｉ Ｓａ ｇ ａ Ｊ ｏ ｎ ｎ ｅ ｉ Ｓａ ｇ ａ ２ ０ ４ ， ｈｎ ｒ ｅｒ ｓ ａｏ ｖ ｓｙ ａ
Ａｂ ｔａ ｔ Ｓ ｉ ｂ ｅ ｄ ｓｇ ｆｃ ｃ ｅ ｉ ｔ ｅ ｍａｎ ｓ ｌｔ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｅ ｔ ｅ ｐ ｏ ｅ ｓ ｒ— ｍｅ ｒ ｐ ｅ ｓｒ ｃ ： ｕｔ ｌ ｅ ｉｎ ｏ ａ ｈ ｓ ｈ ｉ ｏｕ ｉ ｏ ｄ ｃ ｅ ｓ ｈ ｒ ｃ ｓ ｏ ａ ｏ ｍｏｙ ｓ ｅ ｄ
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关键词 ： Ｌ Ｕ算法 ；ｉ ｌ ｃｌ 平 台； 伪 Ｒ Ｓｍｐｅ ａ ｒ Ｓ ａ 高速 缓存
Ｄ Ｉ 码 ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ ２— ２ ９ ２ １ ． １０ ５ Ｏ编 １ ．９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ ２ ７ ．０ ０ Ｏ ．０ ｓ
中图分 类号 ：Ｐ３ ． Ｔ ３２ ３
文 献标识 码 ： Ａ