随着微处理器执行单元与存储器性能差异的日益加大，层次存储系统越来越显得重要。对于嵌入式系统来说，尤为突显存储层次结构的重要性，因为存储结构通常耗费大量的芯片面积和功耗，而面积和功耗是嵌入式系统中的宝贵资源。所以，在嵌入式处理器的Cache 设计中，必须精心选择结构参数和优化技术，以较小的硬件代价来构建一个高效，低功耗的Cache 控制器。 本文研究了开源的Leon2 处理器中的Cache 控制器，该处理器基于32 位SPARCv8 指令集，同时提供AMBA 系统总线结构，被广泛应用于嵌入式产品，如手机，掌上电脑，数码相机等等。 本文对其Cache 控制器进行了重新设计。论文的主要工作如下： 1. 分析了层次存储系统的性能评价方法，确立了Cache 控制器设计和优化的原则及目标。 2. 研究了Cache 一致性问题，提出了一种有效的系统总线（AHB 总线）扩展方式，用以解决CPU 与协处理器之间缓存一致性的问题。 3. 分析了Cache 结构对功耗的影响。根据实验结果，考察了Cache容量，关联度，行大小以及替换策略对功耗的影响，并提出了一种查找最优Cache 结构的方法。本文通过硬件监测系统性能，软件协助或者纯硬件计算功耗，并对Cache 容量和组关联实现了可重构。在保证性能的前提下，降低了Cache 的功耗。 4. 对该Cache 控制器进行了测试分析。首先分析了总线扩展带来的资源消耗，验证了总线扩展机制的有效性。其次，分析了查找Cache最优结构所需的循环次数，和动态可重构Cache 结构所带来的功耗优化。