基于北大众志-863 CPU系统芯片的多级TLB性能研究.pdf

【基于北大众志-863 CPU系统芯片的多级TLB性能研究】 TLB（Translation Lookaside Buffer），即变换旁视缓冲器，是现代计算机系统中用于加速虚拟地址到物理地址转换的关键组件。在虚拟存储系统中，TLB缓存最近使用的页表项，以减少访问内存中主页表的次数，从而显著提高地址转换的速度，进而提升系统性能。 北大众志-863 CPU是一款由北京大学微处理器研究开发中心设计的高性能系统芯片，适用于低端桌面和高端嵌入式市场。其设计考虑了功耗、面积和性能的平衡，因此在TLB设计上选择了组相联的方式，相比全相联的TLB，组相联方式更节省功耗，设计更为简洁，且工艺无关性较好。 多级TLB是指包含多个级别的TLB，如一级TLB（L1 TLB）和二级TLB（L2 TLB）。这样的设计可以提供更广的地址转换缓存范围，进一步提升性能。文章通过追踪驱动仿真对不同结构的TLB进行了大量分析比较，探讨了失效率、芯片尺寸以及设计复杂度等因素对性能的影响。 在研究中，作者宋传华和程旭结合北大众志-863 CPU的实际运行技术参数，将仿真结果应用于实际性能分析，旨在得出对类似微处理器设计具有指导意义的结论。他们指出，随着处理器工艺的发展，对深亚微米级别处理器的TLB组织方式的详细研究变得至关重要。 文章指出，虽然早期的TLB研究主要集中在全相联结构，尤其是在VAX系统上的组相联TLB研究，但这些研究的页大小较小（如512字节），且受限于当时的计算机速度和容量。当前的处理器速度和容量需求使得对更大规模的TLB结构进行量化分析成为必要。 该研究对现代微处理器设计提供了重要的参考，特别是对于那些需要在性能、功耗和面积之间做出妥协的嵌入式系统。通过对多级TLB的深入研究，设计者可以更好地优化系统架构，满足不同应用场景的需求。 这项研究不仅对于北大众志-863 CPU的优化设计有直接影响，也对其他类似微处理器和系统芯片的设计具有借鉴价值。通过深入理解TLB的工作原理和优化策略，设计者可以有效地提升处理器的性能，降低能耗，以适应不断变化的计算需求。