Thiết Kế Bộ Điều Khiển Cache 2 Mức Trong Khóa Luận Tốt Nghiệp Kỹ Thuật Máy Tính

• Tác giả: Nguyễn Thế Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Hồ Ngọc Diễm
• Trường học: Đại học Công nghệ Thông tin - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Máy tính
• Đề tài: Thiết kế bộ điều khiển cache 2 mức
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Kiến trúc bộ nhớ phân cấp
• 1.2. Các phương pháp tổ chức Cache
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ TẢ PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU
• 2.1. Phương pháp FIFO
• 2.2. Phương pháp LRU
• 2.3. Chiến lược cập nhật bộ nhớ
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• 3.1. Mô hình Ghi dữ liệu Write-through
• 3.2. Mô hình Ghi dữ liệu Write-back
• 3.3. Ảnh hưởng của kích thước Khối đến tỉ lệ Hit
• 3.4. Ưu điểm và lý do chọn Cache kết hợp 4-way
• 3.5. So sánh Cache 2-way với Cache Ánh xạ trực tiếp
• 3.6. So sánh Cache 2-way với Cache 4-way
• 3.7. Thiết kế hệ thống
• 3.7.1. Giao tiếp giữa CPU và Bộ nhớ chính
• 3.7.2. Giao tiếp giữa CPU và Cache 1 mức
• 3.7.3. Độ rộng các trường địa chỉ Cache
• 3.7.4. Giao tiếp giữa Cache mức 1 và Cache mức 2
• 3.7.5. Thông số chính của Cache mức 2
• 3.7.6. Độ rộng các trường địa chỉ Cache 2
• 3.7.7. Mô tả giao tiếp giữa Cache mức 2 và Bộ nhớ chính
• 3.7.8. Mô tả giao tiếp giữa RISC-V và Cache 2 mức
• 3.8. Thiết kế chi tiết
• 3.8.1. Thiết kế chi tiết Cache 1 mức
• 3.8.2. Sơ đồ khối Cache mức 1
• 3.8.3. Sơ đồ khối chi tiết Cache mức 1
• 3.8.4. Sơ đồ khối Cache mức 2
• 3.8.5. Thiết kế chi tiết khối dữ liệu Cache mức 1
• 3.8.6. Thiết kế chi tiết khối điều khiển Cache mức 1
• 3.8.7. Cấu tạo chi tiết khối DataCache
• 3.8.8. Thanh ghi 32 bit
• 3.8.9. Thanh ghi 128 bit tạo thành từ 4 thanh ghi 32 bit
• 3.8.10. Tập 16 thanh ghi 128 bit
• 3.8.11. Khối cho phép nạp thanh ghi 128 bit
• 3.8.12. Khối tín hiệu nạp cho tập 16 thanh ghi
• 3.8.13. Tập dữ liệu 16 thanh ghi cho một way
• 3.8.14. Khối DataCache Cache mức 1
• 3.8.15. Khối dữ liệu Cache mức 2
• 3.8.16. Thiết kế chi tiết khối Direction
• 3.8.17. Mô tả tín hiệu cho phép nạp Valid
• 3.8.18. Tập 16 thanh ghi Valid
• 3.8.19. Mô tả tín hiệu cho phép nạp Dirty bit
• 3.8.20. Tập 16 thanh ghi Dirty
• 3.8.21. Mô tả tín hiệu cho phép nạp thanh ghi Tag
• 3.8.22. Tập 16 thanh ghi Tag
• 3.8.23. Tập 16 thanh ghi Priority
• 3.8.24. Khối so sánh bằng 2 thanh ghi 26 bits
• 3.8.25. Thiết kế chi tiết khối FIFO update priority
• 3.8.26. Các thành phần của khối FIFO
• 3.8.27. Khối so sánh lớn hơn
• 3.8.28. Khối xét ưu tiên cho Way0
• 3.8.29. Khối xét ưu tiên cho Way1
• 3.8.30. Khối xét ưu tiên cho Way2
• 3.8.31. Khối xét ưu tiên cho Way3
• 3.8.32. Khối cập nhật độ ưu tiên FIFO
• 3.8.33. Thiết kế khối Điều khiển Cache 1 mức
• 3.8.34. Finite state machine cho bộ điều khiển Cache mức 1
• 3.8.35. Bảng trạng thái Mealy của bộ điều khiển
• 4. CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
• 4.1. Xem xét các trường hợp cần kiểm tra của hệ thống
• 4.2. Mô tả các trường hợp cần kiểm tra giữa CPU và Cache mức 1
• 4.3. Mô tả các trường hợp kiểm tra giữa Cache mức 1 và Cache mức 2
• 4.4. Tiến hành cài đặt và kiểm tra tính năng của hệ thống
• 4.4.1. Trường hợp ghi CPU-L1 Miss Clean, L1-L2 Miss Clean
• 4.4.2. Trường hợp đọc CPU-L1 Miss Clean, L1-L2 Miss Clean
• 4.4.3. Trường hợp ghi Miss Dirty CPU-L1 và Miss Clean L1-L2
• 4.4.4. Trường hợp ghi Miss Dirty cả hai CPU-L1 và L1-L2
• 4.5. Đánh giá kết quả
• 4.6. Kiểm tra tích hợp vi xử lý RISC-V
• 4.7. Kiểm tra các lệnh R, I và S type
• 4.8. So sánh tốc độ bằng thực thi chương trình
• 4.9. So sánh với các đề tài liên quan
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Hướng phát triển
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

I. Tổng quan về thiết kế bộ điều khiển cache 2 mức

Thiết kế bộ điều khiển cache 2 mức là một phần quan trọng trong khóa luận tốt nghiệp kỹ thuật máy tính. Mục tiêu chính của đề tài là tối ưu hóa hiệu suất bộ nhớ bằng cách giảm thời gian truy xuất dữ liệu từ CPU đến bộ nhớ chính. Cache 2 mức được thiết kế để cải thiện hiệu suất hệ thống thông qua việc quản lý bộ nhớ hiệu quả. Đề tài này tập trung vào việc phân tích cấu trúc dữ liệu và tối ưu hóa cache để đạt được hiệu suất cao nhất.

1.1. Kiến trúc bộ nhớ phân cấp

Kiến trúc bộ nhớ phân cấp là nền tảng của hệ thống máy tính hiện đại. Nó bao gồm nhiều lớp bộ nhớ với tốc độ và dung lượng khác nhau. Cache là lớp bộ nhớ gần CPU nhất, giúp giảm thời gian truy xuất dữ liệu. Khi CPU cần truy xuất dữ liệu, nó sẽ tìm kiếm trong cache trước. Nếu dữ liệu không tồn tại (Miss), hệ thống sẽ tìm kiếm ở lớp bộ nhớ thấp hơn. Quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất bộ nhớ.

1.2. Phương pháp tổ chức cache

Có ba phương pháp chính để tổ chức cache: ánh xạ trực tiếp, ánh xạ toàn phần, và kết hợp. Ánh xạ trực tiếp là phương pháp đơn giản nhất, trong đó mỗi khối trong bộ nhớ chính được ánh xạ vào một vị trí cố định trong cache. Phương pháp này dễ triển khai nhưng có thể gây ra xung đột cache. Ánh xạ toàn phần và kết hợp giúp giảm xung đột nhưng đòi hỏi cấu trúc phức tạp hơn.

II. Thiết kế hệ thống cache 2 mức

Thiết kế hệ thống cache 2 mức bao gồm việc xác định giao tiếp giữa các thành phần như CPU, cache mức 1, cache mức 2, và bộ nhớ chính. Mỗi thành phần có vai trò cụ thể trong việc quản lý dữ liệu và tối ưu hóa hiệu suất. Cache mức 1 thường nhỏ và nhanh, trong khi cache mức 2 lớn hơn nhưng chậm hơn. Việc thiết kế cần đảm bảo sự đồng bộ và hiệu quả trong quá trình truy xuất dữ liệu.

2.1. Giao tiếp giữa CPU và cache

Giao tiếp giữa CPU và cache mức 1 là yếu tố quyết định hiệu suất hệ thống. Khi CPU yêu cầu dữ liệu, cache mức 1 sẽ kiểm tra xem dữ liệu có tồn tại hay không. Nếu không, yêu cầu sẽ được chuyển đến cache mức 2. Quá trình này đòi hỏi thiết kế tối ưu để giảm thời gian xử lý và tăng tốc độ truy xuất.

2.2. Thiết kế chi tiết cache mức 2

Cache mức 2 được thiết kế với cấu trúc phức tạp hơn để đáp ứng nhu cầu lưu trữ lớn hơn. Nó bao gồm các khối dữ liệu, khối điều khiển, và các thanh ghi để quản lý thông tin. Việc thiết kế chi tiết đảm bảo rằng cache mức 2 có thể xử lý hiệu quả các yêu cầu từ cache mức 1 và bộ nhớ chính.

III. Đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất

Đánh giá hiệu suất của bộ điều khiển cache 2 mức là bước quan trọng để xác định tính khả thi của thiết kế. Các phương pháp như FIFO, LRU, và tối ưu hóa cache được sử dụng để cải thiện hiệu suất. Kết quả đánh giá cho thấy thiết kế này giúp giảm đáng kể thời gian truy xuất dữ liệu và tăng hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.1. Phương pháp thay thế khối

Các phương pháp thay thế khối như FIFO và LRU được sử dụng để quản lý cache hiệu quả. FIFO thay thế khối dữ liệu cũ nhất, trong khi LRU thay thế khối ít được sử dụng nhất. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống.

3.2. Tối ưu hóa hiệu suất cache

Tối ưu hóa cache là quá trình cải thiện hiệu suất thông qua việc điều chỉnh kích thước khối, số lượng way, và các thông số khác. Kết quả đánh giá cho thấy việc tối ưu hóa giúp giảm tỷ lệ Miss và tăng tốc độ truy xuất dữ liệu, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống máy tính.