随着片上系统规模的不断扩大和处理核数的增多,系统对于片上Cache在容量和速度方面有了更高的要求。为了能够有效利用Cache资源,通常采用非一致Cache访问（NUCA）结构以支持高容量低延迟的Cache组织。另一方面,片上网络由于具备良好的可扩展性在片上众核处理器的互连方式上具有显著优势。因此,基于片上网络的非一致Cache访问体系结构逐渐成为未来众核处理器用于组织大容量Cache的主流系统架构。在该系统架构中,最后一级缓存通常在物理上分布于每个网络节点,Cache存储体在逻辑上共同构成一个统一的共享Cache。当处理核发出Cache访问请求时,其访问时间由访问数据所在的Cache存储体节点与请求处理核节点的距离有关。当系统规模逐渐增大时,访问延迟与网络距离相关的特性会使得不同节点之间的通信距离和通信延迟的差异性逐渐增大。另外,片上网络规模的增大也会促使Cache访问延迟逐渐由网络延迟主导。延迟差异性会引起网络报文延迟不均衡问题,导致Cache访问延迟的非一致性进一步增大,因而出现更多的大延迟Cache访问报文并成为制约系统性能的瓶颈。因此,研究众核处理器的共享Cache访问均衡性对于提升网络性能和系统性能具有重要意义。本文面向共享Cache访问均衡性,通过片上网络路由器结构、片上网络链路分布策略以及众核处理器存储映射策略三个方面对该问题开展多方面的优化手段。本文的主要研究成果以及创新点如下:（1）提出了一种面向公平性的片上网络交叉开关分配策略为了缓解由于片上网络规模的扩大而导致的网络延迟不均衡问题,本文提出了一种面向公平性的交叉开关分配器FOSA。传统的分离式分配器由于采用简单的轮询仲裁机制,因此并不能感知各个端口的拥塞情况,从而也无法掌握哪些端口更容易引起拥塞并造成大延迟网络报文。相比之下,FOSA采用基于公平因子的仲裁器,在交叉开关分配的输入仲裁阶段和输出仲裁阶段能够了解哪些端口更容易引起拥塞,从而优先响应这些端口的报文请求,缓解由于端口拥塞造成的网络报文延迟不均衡现象。实验结果显示,相比于传统的分离式分配策略和最近的TS-Router分配策略,FOSA在延迟标准差上分别平均降低了13.8%和3.9%,在最大延迟上分别平均降低了45.6%和15.1%,表明FOSA能够有效地改善网络延迟均衡性,并减少大延迟网络报文对于系统整体性能的影响。（2）提出了一种负载均衡的片上网络链路分布策略随着片上网络规模的不断增大,由于链路物理位置的不对等性网络流量在链路上的分布是不均衡的。在NUCA结构下,网格网络的中心区域更容易成为网络热点地区,因此中心附近的链路比外围的链路要承受更多的网络流量负载。不同于传统的一致性链路互连结构,本文提出了一种负载均衡的链路分布策略,该策略依据各条链路的流量负载为其分配合适的物理通道数量。本文分析了不同网络规模下网格网络中的流量分布,并给出了相应的负载均衡链路分布设计。实验结果表明,在采用更少的物理通道数量的情况下,负载均衡的片上网络链路分布策略比一致性链路分布策略更有效地均衡网络流量在链路上的分布,并且优化程度会随着网络规模的增长而更加明显。在PARSEC基准测试程序上的实验表明,负载均衡链路分布策略在报文平均延迟上最大降低了6.97%,平均降低了4.22%;而在系统性能方面,在IPC上平均提升了2.1%。（3）提出了一种面向共享Cache访问均衡性的非一致存储映射策略在片上众核处理器中,大延迟的Cache访问报文往往会成为系统访存的性能瓶颈,因此共享Cache访问均衡性对于系统性能有非常重要的影响。众核处理器中的存储映射实际上影响着最后一级缓存中每个Cache传统的平均访问开销,而传统的静态NUCA（S-NUCA）结构一般采用简单的一致性存储映射。本文提出了一种非一致的存储映射方案,旨在通过改变存储映射设计均衡每个Cache存储体的平均访问开销,达到均衡共享Cache访问均衡性的目的。实验结果表明,相比于传统的S-NUCA结构,本文设计的F-NUCA结构在不同的网络规模下均达到了优化Cache访问均衡性的目标,F-NUCA的结构在16/32/64核规模下在延迟标准差上分别平均降低了0.7%/7.7%/19.6%,在最大延迟上分别平均降低了2.9%/11.6%/12.8%。在系统性能方面,在PARSEC基准测试程序上的实验结果显示,F-NUCA结构在16/32/64核规模下分别最大提升了2.1%/3.9%/14.0%,平均提升了1.1%/2.1%/6.7%。