Cache結(jié)構(gòu)的低功耗可重構(gòu)技術(shù)研究

1 Cache低功耗相關(guān)研究
Cache平均訪問(wèn)功耗是Cache性能表現(xiàn)的一個(gè)重要因素。Cache平均訪問(wèn)功耗由Cache命中時(shí)的訪問(wèn)功耗、失效時(shí)的訪問(wèn)功耗和失效率三者決定。失效時(shí)的訪問(wèn)功耗又包括兩部分：一部分是Cache失效時(shí)Cache電路的功耗，另一部分則是下一級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)功耗。因此降低Cache功耗可以從三個(gè)方面考慮：一是降低Cache的失效率，二是降低Cache訪問(wèn)能量，三是降低主存訪問(wèn)能量。
為了達(dá)到低功耗的目的，對(duì)Cache結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn)：Phase―lookup Cache結(jié)構(gòu)，應(yīng)用兩級(jí)查詢的機(jī)制，即先訪問(wèn)tag array，只有命中的那一路data才會(huì)在第二相去訪問(wèn)，這樣就降低了組相聯(lián)Cache中數(shù)據(jù)array部分的功耗，但增加了Cache訪問(wèn)的時(shí)間；Way predictive組相聯(lián)Cache結(jié)構(gòu)，在默認(rèn)情況下只訪問(wèn)一個(gè)tag array和一個(gè)data array，只有在默認(rèn)訪問(wèn)失效時(shí)才會(huì)去訪問(wèn)其他的tag和data array，這種方法也以增加Cache訪問(wèn)時(shí)間的代價(jià)來(lái)?yè)Q取低功耗；偽組相聯(lián)Cache結(jié)構(gòu)，是具有多個(gè)命中時(shí)間的Cache結(jié)構(gòu)，Cache中的每一路可以被順序讀取，從而可以比傳統(tǒng)的同時(shí)讀取結(jié)構(gòu)節(jié)省一部分功耗；另外還有基于壓縮方法方面的研究，針對(duì)高頻值的局部性，在讀寫(xiě)Cache的過(guò)程中，對(duì)高頻出現(xiàn)的數(shù)據(jù)值進(jìn)行壓縮存儲(chǔ)，用較少存儲(chǔ)空間保存編碼后的數(shù)據(jù)，在一定程度上減少了Cache的訪問(wèn)功耗。
低功耗可重構(gòu)的Cache研究在最近幾年得到關(guān)注，通過(guò)改變Cache的結(jié)構(gòu)參數(shù)，不管是用硬件實(shí)現(xiàn)還是用軟件實(shí)現(xiàn)，針對(duì)不同的程序來(lái)配置優(yōu)化的Cache結(jié)構(gòu)，盡可能地關(guān)閉不使用的Cache，兼顧了系統(tǒng)的性能和功耗。Cache的結(jié)構(gòu)參數(shù)很多，主要的參數(shù)有容量大小、相聯(lián)度、塊大小、替換算法、寫(xiě)回策略等。一般而言，系統(tǒng)中的Cache替換算法和寫(xiě)策略是固定的，如果改變也可以在軟件層面上實(shí)現(xiàn)。所以主要關(guān)注Cache的硬件結(jié)構(gòu)是否可重構(gòu)，僅研究其中幾個(gè)參數(shù)(如Cache容量、塊大小和相聯(lián)度)對(duì)訪問(wèn)功耗的影響。在設(shè)計(jì)芯片之前可以使用CAD工具來(lái)確定對(duì)命中時(shí)間和功耗的影響。CACTI程序是一個(gè)可以評(píng)估CMOS微處理器各種Cache結(jié)構(gòu)訪問(wèn)時(shí)間和功耗的CAD工具。對(duì)于一個(gè)給定的最小特征值，可以改變Cache容量、相聯(lián)度和讀／寫(xiě)端口的數(shù)目，以估計(jì)各種情況的Cache命中時(shí)間和功耗。可重構(gòu)Cache結(jié)構(gòu)需要綜合考慮Cache的命中率、平均訪問(wèn)時(shí)間和訪問(wèn)能量等性能，合理選擇Cache的配置參數(shù)。

2 可重構(gòu)Cache的體系結(jié)構(gòu)
要實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)Cache，首先Cache的結(jié)構(gòu)要支持運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)劃分，其次要有檢測(cè)Cache命中率的硬件或者軟件機(jī)制，并且有相應(yīng)的動(dòng)態(tài)配置算法。
2．1 可重構(gòu)Cache系統(tǒng)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)提出了一種可重構(gòu)的數(shù)據(jù)Cache結(jié)構(gòu)。該Cache的數(shù)據(jù)區(qū)被平均分為4個(gè)子分區(qū)(subarray)，每個(gè)子分區(qū)又分為4組。在Cache訪問(wèn)時(shí)，只有一個(gè)子分區(qū)打開(kāi)，其他子分區(qū)的線路不被激活，從而節(jié)省了功耗。圖1給出了整個(gè)Cache體系結(jié)構(gòu)及功能模塊。

與傳統(tǒng)Cache結(jié)構(gòu)相比，圖1中增加了Cache配置動(dòng)態(tài)選擇器(Cache Configuration Dynamic Selector， CCDS)，CCDS用來(lái)更新內(nèi)部狀態(tài)機(jī)，并決定合適的Cache配置。通過(guò)配置CCDS，可以使整個(gè)子陣列無(wú)效，或者使有效子陣列中的某些路無(wú)效。對(duì)于無(wú)效的子陣列或者路，局部自選線(Local Word Line)、預(yù)充電(Precharge)和讀出放大器(Sense Amplifier)都無(wú)激勵(lì)。通過(guò)這些改進(jìn)使得傳統(tǒng)的固定劃分的Cache具備了動(dòng)態(tài)配置能力。
改進(jìn)后的Cache外在表現(xiàn)為一個(gè)虛擬的兩級(jí)Cache：Ll／L2。這種分級(jí)方式同傳統(tǒng)的L1／L2兩級(jí)Cache結(jié)構(gòu)不同，L1 Cache由激活的不同子分區(qū)以及子分區(qū)內(nèi)不同的路數(shù)構(gòu)成，未激活的部分為L(zhǎng)2，在L1未命中時(shí)激活以進(jìn)行訪問(wèn)，L1和L2在物理實(shí)現(xiàn)上表現(xiàn)為同一級(jí)。Cache的地址劃分仍為三部分：標(biāo)志位、索引位和塊內(nèi)地址。圖2給出了Cache的地址劃分情況，可分為塊地址(Block Address)和塊內(nèi)偏移(Block offset)。塊地址可以進(jìn)一步分為標(biāo)志字段(Tag)和索引字段(Index)。其中Tag的后兩位SS用來(lái)做子分區(qū)的選擇位。訪問(wèn)Cache時(shí)，首先訪問(wèn)L1，當(dāng)L1命中時(shí)就直接返回，只有在L1訪問(wèn)失效時(shí)才會(huì)將所有數(shù)據(jù)區(qū)打開(kāi)。對(duì)不同的應(yīng)用程序，L1和L2大小的劃分不同，其訪閩時(shí)間和運(yùn)行功耗也會(huì)有較大差異。