近年来,物联网技术的快速发展以及经济社会发展的需要,极大地促进了以智能可穿戴式设备为代表的新型嵌入式设备的产生,这些新型嵌入式设备受到了学术界和工业界的广泛关注,并在智能医疗、环境监测、智能交通、军事探测等领域展现了巨大的应用潜力。但传统的电池供电方式因为本身固有的体积、重量以及需要频繁充电等问题,给新型的嵌入式设备的广泛应用带来了新的挑战:需要寻找到一种更加适合的供电方式。能量采集技术(Energy Harvesting)的出现,为上述问题的解决提供了有效的途径。能量采集技术是从周围的环境中获得能量(例如太阳能、电磁辐射、热能等),并且通过使用一些能量转换技术对自身设备的电容进行充电,或者在某些情况下对电子器件进行直接供电的技术[1]。这种新型的供电方式不仅能将新型的嵌入式设备从原本电池供电方式的限制中解放出来,而且更加环保,使得它们能更好的满足需求。但是这种自供能供电方式,阻碍其进一步发展的最大问题是这种供电方式提供能量的具有不稳定性[2]。这就导致这些设备的程序执行过程可能会频繁地因能量不足问题而发生中断。而在传统的基于CMOS的易失处理器中,断电会导致存储的程序执行结果丢失,而被中断的程序会在断电结束后必须重新从头执行,这会带来不必要的能量与时间开销,更有可能导致大型的任务会永远不能完成[2]。非易失性存储器(Non-volatile Memory,NVM)[3]是指当电源关闭后,所存储的数据不会消失的存储器。因此,基于NVM的非易失性处理器(Non-volatile Processors,NVP)[4]中存储在NVM中的数据可以保证在断电前后不会丢失。它的出现就能够解决自供能嵌入式设备中,每次掉电后,任务必须重新从头开始执行的问题[5][6]。在非易失处理器执行任务的过程中,在断电情况发生时,可以将程序执行中的现场数据存储到NVM中进行保存,当下次供电恢复时,系统会恢复程序中断前的信息,使得程序可以继续执行下去。目前,研究人员在就如何合理地进行备份方面已经做了很多工作,已经显著减少了备份过程中的能量与时间消耗。但是NVM的一个显著特性没有被充分利用:在几种具有代表性的NVM,如自旋转移力矩磁性存储器(STT-RAM)、相变存储器(PCM)中,可以以多层单元(Multi-level Cell,MLC)模式工作,在MLC模式下,以较高的访问成本为代价,它可以在一个物理单元中存储不止一位数据,从而带来更高的存储容量。在本文中,我们来讨论MLC为缓存备份带来的好处,以及探索如何在NVP系统中充分利用NVM的MLC特性。本文中拟在之前相关设计的基础上,通过引进NVM的SLC/MLC特性,对之前的设计中存在的不足进行完善。意在提出一种能够保证在频繁断电情境中仍然能够保证系统正常工作基础上、进一步提升系统性能的Cache管理策略。其中,本文通过评估系统中剩余能量的多少而确定当前系统的不同侧重点,并确定不同的Cache管理方案。本文主要通过充分利用NVM可以在SLC/MLC模式之间灵活转变的特性,减少备份时与程序正常执行时的额外消耗,以达到进一步提高系统性能与能量利用率的目的。最后评估了本文提出的方案的有效性。结果显示,本文提出的方案与现有的方案相比,性能平均提高了4.7%,同时能量消耗降低了 16.7%。