29、提升嵌入式系统缓存性能的硬件/软件协同策略

提升嵌入式系统缓存性能的硬件/软件协同策略

1. 背景介绍

随着处理器与内存速度之间的差距不断扩大，优化数据局部性对于数据密集型嵌入式应用变得至关重要。硬件设计者和编译器开发者分别通过智能缓存管理和程序级转换来优化数据缓存局部性。然而，很少有研究探讨这两种优化方式之间的相互作用。本篇文章将深入探讨如何结合硬件和软件技术，以提升嵌入式系统的缓存性能。

2. 硬件与软件优化的现状

2.1 硬件技术

硬件解决方案通常涉及多个层次的内存层次结构，并在每个层次上进一步增强。研究小组提出了智能缓存控制机制和新颖的架构，这些架构可以在运行时检测程序访问模式，并微调一些缓存策略，以最大化整体缓存利用率和数据局部性。常见的硬件技术包括但不限于：

• 受害者缓存 ：用于保存被替换出去但仍可能被再次访问的数据。
• 列关联缓存 ：通过增加缓存的关联度来减少冲突缺失。
• 硬件预取机制 ：提前将数据加载到缓存中，以减少延迟。
• 多端口缓存 ：允许多个数据请求同时访问缓存。

2.2 软件技术

在软件领域，编译器指导的数据局部性优化方面做了大量工作。特别是，在优化编译器中广泛使用了循环重构技术。例如，转换技术如循环交换、迭代空间平铺和循环展开等已经被集成到商业编译器中。此外，数据变换技术改变了数据结构的内存布局，以提高缓存命中率。

3. 硬件与软件的协同优化 <