随着集成电路制造工艺的进步和微处理器性能的提高,微处理器功耗问题日益严重,成为制约微处理器发展的主要瓶颈。片上高速缓存(Cache)功耗作为微处理器功耗的重要组成部分,降低Cache功耗成为控制微处理器功耗的主要目标。由于底层功耗优化手段受工艺和材料物理特性的制约已经很难满足Cache的功耗约束,因此需要从更高层次对Cache功耗进行优化。本文从Cache功耗的组成、访问特性、功耗性能平衡等多个角度出发,提出了多项体系结构级Cache功耗优化方法。主要研究工作和创新点包括：低功耗指令Cache研究。针对指令Cache行间访问偏移范围存在明显局部性特征,提出了一种将Cache当前访问行及其若干紧邻行链接访问的低功耗指令缓存访问方法。该方法能够在发生相对跳转时依托于相邻行之间的访问链接信息,精确获得跳转目标行的路访问信息,从而减少对Cache标志和数据存储器的访问,达到降低指令Cache动态功耗的目的。在Cache行发生替换时,仅需检测并清除相邻缓存行与被替换行的链接信息,以很小的硬件代价实现链接信息的正确性。低功耗数据Cache研究。针对数据Cache与存储加载队列并行访问的功耗问题和串行访问的性能问题,提出了一种基于存储加载队列预测访问过滤无效数据Cache访问的低功耗方法。利用内存相关性的可预测特征,通过记录加载指令与存储加载队列中存在内存相关性的指令集合,预测后续仅需访问存储加载队列的加载指令,直接从存储加载队列前馈数据通路获取加载结果,关闭数据Cache的访问。Cache可重构算法研究。针对可重构Cache中重构搜索的开销问题,提出了一种基于函数转移开启Cache重新配置的可重构预测算法。利用函数转移获取新程序段的特性,以函数为单位动态监测Cache缺失率变化,通过函数历史最优Cache配置参数预测后续函数的Cache重构配置信息,减少重构过程对Cache设计空间的搜索；进一步,通过区分重构前后的缓存行,使重构后Cache能够继续使用重构前的缓存数据,降低了Cache初始化的延时和功耗。Cache无效访问研究。针对分支行为预测错误导致指令Cache的无效访问,提出了一种基于零延时分支预测的指令Cache低功耗方法,利用分支预测的行为信息参与后续分支行为预测,消除深流水、超标量处理器中由于分支代价高导致分支历史重名问题,提高分支行为的预测准确率,减少指令Cache无效访问功耗。本文提出的多项体系结构级Cache功耗优化方法能够在不影响性能的前提下,有效降低Cache功耗,改善微处理器的性能功耗比。