单芯片多处理器(CMP:Chip multi-processors)是高性能微处理器结构设计的发展方向。片内多个处理器核共享cache可能会导致共享数据不一致的问题,为此提出了两种协议机制:监听协议(Snooping Coherence Mechanism)和目录协议(Directory Mechanism)。目录协议比监听协议具有更好的扩展性,但是存在目录存储开销大和访问目录造成延迟的问题。获得较低的目录存储开销和访问目录延迟是CMP系统结构中Cache设计的核心问题之一。提出了一种基于目录协议的Cache结构设计。数据共享是在CMP内多个核上并行执行程序的动态行为,基于程序执行的局部性,在一定时间内只存在有限的数据被共享,即给定时间内共享信息记录的数量是有限的,本设计的思想是:只为共享的有限个数据建立全映射目录而不是为所有数据都预留一个目录空间备用,该设计采用与二级Cache对应的片内高速小容量存储器来记录动态共享关系,MESI协议实现共享状态转换。为评价基于动态共享关系的Cache结构设计,在SESC模拟器上运行了四个基准测试程序以验证设计的有效性。结果表明,提出的Cache结构在降低目录存储开销的同时对系统性能有较好的性能提升,片内目录存储器组相联度对性能影响不大,集成处理器核数目增加时要求目录存储器容量增加。