随着处理器制造工艺的不断进步以及实际应用需要,多核结构已经成为当前高性能微处理器的发展趋势。然而,与此同时也带来了一些在单处理器结构中没有出现过的问题,在多核处理器系统中出现的Cache一致性问题是当今计算机体系结构中研究的热点问题。当前处理器性能的提高幅度远高于存储器的发展速度,然而,在传统的多核处理器系统中为保证Cache一致性,数据块的一致性信息一般都以目录的方式存放在内存中,这样,当某个内核需要对某一共享数据块进行读写操作时,都需要到内存中查找或修改目录信息,这无疑增加了处理器内核的访存延迟,而较长的访存延迟大大的限制了系统的性能。本文对多核环境下的高速缓存的工作原理、基本结构及Cache一致性协议的工作原理等进行了较为深入的研究的基础上,提出了一种L2 Cache模型的设计,将传统的L2 Cache分成两部分,即DLDI与FDI部分,其中DLDI部分除了存储本地内核最近访问的数据外,还额外存储了这些数据块的目录信息,而FDI部分存储的是从DLDI部分替换出去的数据块的目录信息,这样当内核需要查找或改变某个数据块的目录信息时,可以直接访问L2 Cache,从而减少处理器的访存延迟;在此L2 Cache模型的支持下,本文又对基于目录的Cache一致性协议进行了改进,以保证将目录信息存储到本文提出的L2 Cache模型中后,仍然能保证多核处理器的数据一致性;最后,利用多核模拟器软件GEMS,对系统进行了测试。实验结果证明,将目录信息存储在本文中提出的L2 Cache中并对基于目录的Cache一致性协议改进后,减少了多核处理器的访存延迟,提升了系统性能。