嵌入式DSP訪問(wèn)片外SDRAM的低功耗設(shè)計(jì)研究

DSP有限的片內(nèi)存儲(chǔ)器容量往往使得設(shè)計(jì)人員感到捉襟見(jiàn)肘，特別是在數(shù)字圖像處理、語(yǔ)音處理等應(yīng)用場(chǎng)合，需要有高速大容量存儲(chǔ)空間的強(qiáng)力支持。因此，需要外接存儲(chǔ)器來(lái)擴(kuò)展DSP的存儲(chǔ)空間。

在基于DSP的嵌入式應(yīng)用中，存儲(chǔ)器系統(tǒng)逐漸成為功耗的主要來(lái)源。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片，在讀寫(xiě)時(shí)功耗最大可以到達(dá)924 mW，而大部分DSP的內(nèi)核功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值。如TI的TMS320C55x系列的內(nèi)核功耗僅僅為0.05 mW／MIPS。所以說(shuō)，優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)的功耗是嵌入式DSP極其重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)。本文主要以訪問(wèn)外部SDRAM為例來(lái)說(shuō)明降低外部存儲(chǔ)系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)方法。

1 SDRAM功耗來(lái)源

SDRAM內(nèi)部一般分為多個(gè)存儲(chǔ)體，通過(guò)行、列地址分時(shí)復(fù)用，系統(tǒng)地址總線對(duì)不同存儲(chǔ)體內(nèi)不同頁(yè)面的具體存儲(chǔ)單元進(jìn)行尋址。SDRAM每個(gè)存儲(chǔ)體有2個(gè)狀態(tài)，即激活狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。在一次讀寫(xiě)訪問(wèn)完畢后，維持存儲(chǔ)體激活狀態(tài)稱為開(kāi)放的頁(yè)策略（open-page policy），頁(yè)面寄存器中保存已經(jīng)打開(kāi)的行地址，直到它不得不被關(guān)閉，比如要執(zhí)行刷新命令等；訪問(wèn)完畢后關(guān)閉存儲(chǔ)體稱為封閉的頁(yè)策略（close-page pol-icy）。

為了更好地決定選擇哪種策略，需要熟悉SDRAM功耗的特點(diǎn)。SDRAM的功耗主要有3個(gè)來(lái)源：激活關(guān)閉存儲(chǔ)體、讀寫(xiě)和刷新。在大部分程序中，激活關(guān)閉存儲(chǔ)體引起的功耗占到訪存操作的總功耗的一半以上。圖1給出了對(duì)同一SDRAM行進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，采用開(kāi)放的頁(yè)策略和封閉的頁(yè)策略的功耗比較（假設(shè)激活關(guān)閉存儲(chǔ)體一次消耗功耗為1），經(jīng)計(jì)算可知，若連續(xù)的幾個(gè)讀寫(xiě)操作在同一行，采用開(kāi)放的頁(yè)策略可以節(jié)省功耗。

圖1 開(kāi)放的頁(yè)策略和封閉的頁(yè)策略的功耗比較

根據(jù)上面對(duì)SDRAM功耗的特點(diǎn)的分析可知，盡量減少激活／關(guān)閉存儲(chǔ)體引起的附加功耗開(kāi)銷，是優(yōu)化SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)功耗的根本，另外不能忽視一直處于激活狀態(tài)的存儲(chǔ)體帶來(lái)的功耗。

2 訪問(wèn)SDRAM的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為更好的管理外部SDRAM，大部分嵌入式DSP片上集成和外部存儲(chǔ)器的接口EMIF（External Memory Interface），DSP的片內(nèi)設(shè)備通過(guò)EMIF訪問(wèn)和管理存儲(chǔ)器。由EMIF將對(duì)同一行的讀寫(xiě)盡量歸并到一起進(jìn)行，減少激活／關(guān)閉存儲(chǔ)體引起的附加功耗開(kāi)銷。圖2為基于總線監(jiān)測(cè)的讀寫(xiě)歸并設(shè)計(jì)方案的框圖。

圖2 基于總線監(jiān)測(cè)的讀寫(xiě)歸并設(shè)計(jì)方案的框圖

1）采用塊讀的方法取指令。加入簡(jiǎn)化的指令Cache（I-Cache），將對(duì)SDRAM的讀程序讀操作按塊進(jìn)行。只有在Cache錯(cuò)過(guò)時(shí)，由Cache通過(guò)EMIF對(duì)SDRAM進(jìn)行塊讀，每次讀16個(gè)字節(jié)。

2）加入寫(xiě)后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（WPB，Write PoST Buffer），將數(shù)據(jù)總線上的請(qǐng)求發(fā)往WPB，由WPB對(duì)SDRAM進(jìn)行塊寫(xiě)、讀寫(xiě)歸并。

3）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)EMIF總線的利用率，塊讀和讀寫(xiě)歸并時(shí)采用開(kāi)放的頁(yè)策略，當(dāng)總線利用率較低時(shí)，采用封閉的頁(yè)策略，當(dāng)總線利用率很低時(shí)，將SDRAM進(jìn)入休眠模式。

3 訪問(wèn)SDRAM的低功耗設(shè)計(jì)

3.1 采用塊讀的I-Cache

對(duì)于程序總線的讀操作，根據(jù)程序的局部性原理，下一次要取得指令和當(dāng)前要取指的指令在空間上很可能相鄰，因此對(duì)于讀程序采用塊讀的方法，每次讀一個(gè)塊，而不是一個(gè)字，并采用開(kāi)放的頁(yè)策略，因此對(duì)同一行的讀寫(xiě)操作不需要額外的激活／關(guān)閉操作，可以較快的完成。

當(dāng)指令放在片外存儲(chǔ)器里時(shí)，可以將CPU最近使用的指令放在I-Cache中，鑒于改善整個(gè)系統(tǒng)的性能和低功耗設(shè)計(jì)的需求。DSP的I-Cache大小設(shè)計(jì)為8 KB，包括2塊存儲(chǔ)器，其結(jié)構(gòu)相同，每一塊結(jié)構(gòu)如下：

1）數(shù)據(jù)隊(duì)列，每個(gè)隊(duì)列包含256行，每行16個(gè)字節(jié)。當(dāng)I-Cache錯(cuò)過(guò)時(shí)，會(huì)采用最近最少使用算法（LRU）替換掉最長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有使用的行。

2）行有效位隊(duì)列，每行有一個(gè)行有效位，一旦一行裝滿數(shù)據(jù)。就置位該行有效位。

3）標(biāo)簽隊(duì)列，每一行有一個(gè)標(biāo)簽域，表明該行的數(shù)據(jù)的起始地址。當(dāng)一行填滿，相應(yīng)的標(biāo)簽將存到該行的標(biāo)簽域中。

如果要取的指令字在I-Cache中（命中），I-Cache會(huì)直接將其送給DSP。如果要取的指令字不在I-Cache中（錯(cuò)過(guò)），I-Cache會(huì)通過(guò)EMIF從外部存儲(chǔ)器接口讀取4個(gè)32 b的代碼塊。一旦這個(gè)指令字被讀到I-Cache中，就送給CPU。

3.2 寫(xiě)后緩沖區(qū)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放位置可能不像程序空間那么連續(xù)，而且數(shù)據(jù)空間有讀寫(xiě)，對(duì)數(shù)據(jù)空間讀寫(xiě)SDRAM進(jìn)行優(yōu)化的基本思想是，歸并對(duì)SDRAM同一行的讀寫(xiě)操作。具體來(lái)說(shuō)，包括歸并對(duì)同一行的多個(gè)讀操作、歸并對(duì)同一行的多個(gè)寫(xiě)操作，歸并對(duì)同一行的多個(gè)讀寫(xiě)操作3種情況，文獻(xiàn)提出了這種設(shè)計(jì)方法，其基本思想是：系統(tǒng)從預(yù)取緩沖區(qū)（FB，F(xiàn)etch Buffer）中取數(shù)據(jù)；寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，先寫(xiě)到寫(xiě)歸并緩沖區(qū)（WCB，Write Combine Buffer）；對(duì)在FB或WCB中的同一行的讀寫(xiě)請(qǐng)求進(jìn)行歸并。但此設(shè)計(jì)方法是針對(duì)有一級(jí)Cache的通用微處理器系統(tǒng)，過(guò)于復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)代價(jià)過(guò)高，不適合于本文研究的沒(méi)有一級(jí)數(shù)據(jù)Cache的DSP，因此這里采用寫(xiě)后緩沖區(qū)（Write Post Buffer）的方法，具體設(shè)計(jì)方法如下：

1）在EMIF中設(shè)立一個(gè)寫(xiě)后緩沖區(qū)，所有對(duì)SDRAM的讀寫(xiě)請(qǐng)求均送到寫(xiě)后緩沖區(qū)，寫(xiě)后緩沖區(qū)立即給CPU響應(yīng)，CPU可以不用等待寫(xiě)操作的結(jié)束而繼續(xù)執(zhí)行程序。

2）每當(dāng)寫(xiě)后緩沖區(qū)接受到一個(gè)新的寫(xiě)請(qǐng)求后，首先判斷寫(xiě)后寄存器中是否存在和該寫(xiě)操作在SDRAM同一行的寫(xiě)操作，若有，將這兩個(gè)寫(xiě)操作歸并后同時(shí)向SDRAM進(jìn)行寫(xiě)。

3）當(dāng)CPU讀數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查寫(xiě)后緩沖區(qū)，若存在要讀的數(shù)據(jù)，直接從寫(xiě)后緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù)；若不存在，則從寫(xiě)后緩沖區(qū)中挑選和當(dāng)前讀操作在同一行的寫(xiě)操作歸并后，對(duì)SDRAM進(jìn)行讀、寫(xiě)操作。

設(shè)計(jì)寫(xiě)后緩沖區(qū)不僅可以提高程序的執(zhí)行效率，還可以節(jié)省功耗。綜合考慮系統(tǒng)的性能與功耗要求，這里DSP寫(xiě)后緩沖區(qū)設(shè)計(jì)為8 KB，采用和I-Cache類似的結(jié)構(gòu)。

3.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)總線利用率

SDRAM在所有的行都打開(kāi)，等待讀寫(xiě)操作時(shí)的功耗是所有行都關(guān)閉時(shí)的2倍多，因此SDRAM為了低功耗的需要，設(shè)計(jì)時(shí)都加入了休眠模式。當(dāng)對(duì)同一行有大量的讀寫(xiě)時(shí)，又需要采用開(kāi)放的頁(yè)策略，維持這些行打開(kāi)?？紤]到SDRAM的這些特點(diǎn)，單獨(dú)采用開(kāi)放的頁(yè)策略或封閉的頁(yè)策略是不合適的，需要結(jié)合運(yùn)用。動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)EMIF總線的利用率，塊讀、塊寫(xiě)和讀寫(xiě)歸并時(shí)采用開(kāi)放的頁(yè)策略，當(dāng)總線利用率較低時(shí)，采用封閉的頁(yè)策略，當(dāng)總線利用率很低時(shí)，將SDRAM進(jìn)入休眠模式，需要時(shí)再澈活。

以MT48LC2M32P2為例進(jìn)行功耗估算，假設(shè)前后兩次訪問(wèn)命中同一行的概率是90％，當(dāng)總線利用率（每個(gè)周期內(nèi)總線被平均利用的次數(shù)）高于25％時(shí)。采用開(kāi)放的頁(yè)策略比采用封閉的頁(yè)策略節(jié)省功耗，當(dāng)總線利用率在25％～20％之間時(shí)，采用兩種策略差別不大，維持當(dāng)前采用的策略，當(dāng)總線利用率低于20％時(shí)，采用封閉的頁(yè)策略比采用開(kāi)放的頁(yè)策略節(jié)省功耗，當(dāng)總線利用率低于10％時(shí)，在采用封閉的頁(yè)策略的同時(shí)，每次訪問(wèn)結(jié)束后都將SDRAM進(jìn)入休眠模式，比單純采用封閉的頁(yè)策略更節(jié)約功耗。

文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)了通用處理器中不同程序的總線的利用率，如表1所示?？梢?jiàn)，對(duì)于不同的程序，總線利用率差別較大。根據(jù)當(dāng)前總線的利用率來(lái)決定采用何種策略訪問(wèn)SDRAM是比較合適的。

表1

4 優(yōu)化后的EMIF的性能分析

對(duì)采用的總線監(jiān)測(cè)的讀寫(xiě)歸并方案進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)前后命中同一行的概率是90％，根據(jù)Micron數(shù)據(jù)手冊(cè)計(jì)算，歸并兩個(gè)寫(xiě)操作功耗減少24％，對(duì)不同的總線利用率的計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 基于總線監(jiān)測(cè)的讀寫(xiě)歸并方案功耗計(jì)算

5 結(jié)束語(yǔ)

在基于DSP的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中，存儲(chǔ)系統(tǒng)的功耗占據(jù)系統(tǒng)功耗的大部分。當(dāng)外部存儲(chǔ)器采用SDRAM時(shí)，降低SDRAM的換行訪問(wèn)可以節(jié)約大量的功耗。本文設(shè)計(jì)的基于總線監(jiān)測(cè)的讀寫(xiě)歸并方案，不僅降低了外部存儲(chǔ)系統(tǒng)的功耗，而且可以在一定程度上提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能。加入的I-Cache可以使程序總線更快地讀指令，加入的寫(xiě)后緩沖區(qū)（WPB）可以使CPU不用等待緩慢的外部寫(xiě)操作的結(jié)束而直接繼續(xù)執(zhí)行指令。