基于VIM的嵌入式存儲控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　隨著VLSI技術(shù)的迅猛發(fā)展，微處理器主頻日益提高、性能飛速增長，盡管與此同時存儲器集成度也越來越高、存取延時也在不斷下降，但是處理器性能的年增長速度為50％～60％，而存儲器性能每年提高的幅度只有5％～7％，DRAM存儲器的低帶寬和高延遲使高性能處理器無法充分發(fā)揮其性能，處理器和存儲器之間速度的差距越來越成為制約整個系統(tǒng)性能的瓶頸。眾多的研究者從微體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，采取亂序執(zhí)行、多線程、預(yù)取、分支預(yù)測、推斷執(zhí)行等技術(shù)，或多級Cache的層次式存儲結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)微處理器與存儲器性能差距，但是這些技術(shù)存在多種問題：復(fù)雜、占用面積大、資源利用率低、造價高、耗盡存儲帶寬等，并不能真正解決存儲瓶頸問題。即使一些新的存儲器產(chǎn)品的出現(xiàn)，如DDR存儲器，Rambus存儲器等，雖然一定程度上提高了存儲器的頻率，但處理器和存儲器之間的性能差距還是在進(jìn)一步拉大。如何才能真正消除存儲器性能瓶頸呢?PIM技術(shù)(Processing in Memory)，即把處理器和存儲器緊密集成到一塊芯片上，半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)步使CMOS邏輯單元可以和SRAM或DRAM集成在一個硅片上，這樣可以突破芯片間引腳的限制，充分發(fā)揮存儲器的隱藏帶寬，同時降低訪問延時(將片間訪問延時轉(zhuǎn)換成片內(nèi)訪問延時遲)。以PIM技術(shù)為基礎(chǔ)，用向量部件作為協(xié)處理器構(gòu)成的Vector In Memory(VIM)體系結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮PIM高帶寬、低延遲、低功耗的特點(diǎn)，開發(fā)數(shù)據(jù)級并行，是解決存儲系統(tǒng)性能瓶頸的有效途徑。本文具體闡述VIM體系結(jié)構(gòu)中影響存儲系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件嵌入式存儲控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 VIM體系結(jié)構(gòu)

　　VIM是一種面向流式數(shù)據(jù)處理的向量體系結(jié)構(gòu)，其微體系結(jié)構(gòu)的處理器部分由1個標(biāo)量核和1個向量協(xié)處理器構(gòu)成，嵌入式存儲控制器和存儲器構(gòu)成片上DRAM存儲系統(tǒng)，處理器部分和存儲系統(tǒng)之間由高速存儲交叉開關(guān)互連。VIM體系結(jié)構(gòu)最重要的特征就是向量處理器和嵌入式存儲器的結(jié)合。圖1中給出了VIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型框架結(jié)構(gòu)。

2.1 RISC標(biāo)量核

　　VIM標(biāo)量核為可綜合、高集成度的32位RISC處理核，其指令集與SPARC V8兼容；標(biāo)量核包括整數(shù)部件、浮點(diǎn)部件，支持用戶態(tài)和超級用戶態(tài)(管態(tài))2種工作模式；主要功能是執(zhí)行標(biāo)量指令(SPARC指令集)，處理異常和中斷，為向量部件輸送向量指令，完成標(biāo)量核與向量部件之間的數(shù)據(jù)傳遞，并與主機(jī)進(jìn)行通信完成取指、譯碼工作。

2.2 向量部件

　　向量部件作為標(biāo)量核的協(xié)處理器，執(zhí)行擴(kuò)展的向量指令，與標(biāo)量部件并行執(zhí)行。由向量指令隊(duì)列、向量控制器、向量核寄存器文件、向量Lane等部分構(gòu)成。向量指令隊(duì)列VIQ，為異步FIFO隊(duì)列。標(biāo)量核通過部分譯碼將識別出的向量指令寫入VIQ，由向量取指單元從中順序取出指令交由譯碼部分再次譯碼。向量控制器保證向量指令的正確執(zhí)行，完成向量流水線控制。向量核寄存器文件由向量寄存器文件、標(biāo)量寄存器文件、控制寄存器文件和標(biāo)志寄存器文件構(gòu)成，包括32個32位寄存器。向量Lane由并行的向量流水線構(gòu)成，包括完全流水的LSU，ALU，F(xiàn)PU等部件。每個Lane可以看成一條數(shù)據(jù)通路，完成對特定寬度數(shù)據(jù)的處理，多個Lane之間可以并行執(zhí)行。

2.3 嵌入式存儲系統(tǒng)及I／O

　　嵌入式存儲系統(tǒng)由存儲互連交叉開關(guān)、嵌人式存儲控制器和存儲器構(gòu)成，存儲互連交叉開關(guān)用于片內(nèi)運(yùn)算部件訪存時的地址翻譯、訪存指令的路由以及讀取數(shù)據(jù)的返回，其將標(biāo)量訪存部件、向量Lane訪存部件和嵌入式存儲器互連起來，具有多端口、高帶寬、低延時的特點(diǎn)。嵌入式存儲控制器接收從存儲交叉開關(guān)傳送過來的訪存指令，實(shí)現(xiàn)對DRAM的數(shù)據(jù)存取。存儲器是由4個獨(dú)立的存儲體組成的一個多體交叉存儲器，每個存儲體都有自己獨(dú)立的存取控制接口，體內(nèi)又分成4個子體。采用多體存儲器可使映射到不同存儲體的訪存指令可以同時執(zhí)行，并行對多個向量元素進(jìn)行操作，同時每個存儲體都對應(yīng)各自的存儲控制器，相對于集中式存儲控制而言訪問延時更低、功耗更小。I／O接口用于實(shí)現(xiàn)多個VIM節(jié)點(diǎn)間互連和掛接一些I／O設(shè)備。

　　嵌入式存儲控制器實(shí)現(xiàn)對DRAM存儲體的初始化、激活、行選、列選、自動充電、定時刷新、讀延遲、寫恢復(fù)等功能控制，支持4種突發(fā)讀寫模式、兩種行選延時選擇，具有嚴(yán)格的時序。下面將詳細(xì)闡述嵌入式存儲控制器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)思想以及具體實(shí)現(xiàn)。

3 嵌入式存儲控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式存儲控制器模塊結(jié)構(gòu)

　　存儲控制器是系統(tǒng)總線和DRAM之間的控制接口，在VIM的存儲系統(tǒng)中，嵌入式存儲控制器的作用就是將存儲交叉開關(guān)所傳輸過來的讀寫控制命令轉(zhuǎn)換成DRAM的控制信號實(shí)現(xiàn)對DRAM的讀寫、刷新等控制；將存儲交叉開關(guān)傳輸過來的地址分解成Bank地址、行地址和列地址，在特定的時候傳輸?shù)紻RAM地址線上；以及控制數(shù)據(jù)總線和DRAM數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)輸入輸出。

　　實(shí)現(xiàn)VIM-1嵌入式存儲控制器，圖2所示為其模塊結(jié)構(gòu)，存儲控制器由主控制模塊、信號產(chǎn)生模塊、刷新模塊和數(shù)據(jù)通路構(gòu)成。

　　下面具體對每個模塊的功能進(jìn)行闡述：

3.1.1 主控制模塊

　　主控制模塊實(shí)現(xiàn)對DRAM各種功能的控制，由初始化狀態(tài)機(jī)子模塊、命令狀態(tài)機(jī)子模塊和計(jì)數(shù)器子模塊構(gòu)成。

　　初始化狀態(tài)機(jī)子模塊 在計(jì)時子模塊的時序控制下，產(chǎn)生DRAM初始化過程中所需的各種狀態(tài)，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制DRAM模塊的初始化，并將其狀態(tài)信號iState同時傳送到命令狀態(tài)機(jī)子模塊、信號產(chǎn)生模塊、計(jì)時器子模塊和數(shù)據(jù)通路中。

　　命令狀態(tài)機(jī)子模塊 在計(jì)時子模塊的時序控制下，產(chǎn)生DRAM讀寫周期和刷新周期過程中所需的各種狀態(tài)，控制對DRAM模塊的讀寫訪問及刷新操作，并將其狀態(tài)信號cState傳送到數(shù)據(jù)通路模塊、計(jì)時器子模塊和信號產(chǎn)生模塊中。

　　計(jì)時器子模塊 根據(jù)DRAM模塊的時序標(biāo)準(zhǔn)，對DRAM模塊內(nèi)部操作進(jìn)行時序控制，主要通過控制初始化狀態(tài)機(jī)和命令狀態(tài)機(jī)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)化時序，達(dá)到控制DRAM內(nèi)部操作時序的目的。

3.1.2 刷新模塊

　　產(chǎn)生對DRAM模塊的刷新請求操作：通過內(nèi)部的計(jì)數(shù)器控制，每隔一定的時鐘周期(具體時鐘周期數(shù)按照DRAM模塊參數(shù)而定)向命令狀態(tài)機(jī)發(fā)送刷新請求，直到命令狀態(tài)機(jī)回復(fù)刷新請求應(yīng)答。

3.1.3 信號產(chǎn)生模塊

　　信號產(chǎn)生模塊將初始化狀態(tài)機(jī)發(fā)送的狀態(tài)iState、命令狀態(tài)發(fā)送的狀態(tài)cState轉(zhuǎn)換成DRAM所對應(yīng)的內(nèi)部命令信號，主要包括sdr_CKE(時鐘使能信號)、sdr_CSn(片選信號)、sdr_RASn(行選信號)、sdr_CASn(列選信號)、sdr_WEn(讀寫信號)。同時在規(guī)定的時序下，將地址總線上傳輸過來的地址信號轉(zhuǎn)換成DRAM內(nèi)部所對應(yīng)的Bank地址和行列地址。

3.1.4 數(shù)據(jù)通路

　　數(shù)據(jù)通路模塊主要功能是在計(jì)時器子模塊的時序控制下，根據(jù)命令狀態(tài)信號，在相應(yīng)狀態(tài)時將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)寫入DRAM存儲體；以及將DRAM數(shù)據(jù)線sdr_DQ上的數(shù)據(jù)輸出到系統(tǒng)總線上，同時在數(shù)據(jù)輸出的過程中將數(shù)據(jù)有效信號sys_D_Valid置1。

3.2 DRAM初始化

　　通常在DRAM正常工作，能夠執(zhí)行存儲訪問前，需要對DRAM進(jìn)行初始化。主控制模塊中的初始化狀態(tài)機(jī)子模塊實(shí)現(xiàn)對DRAM的初始化操作。如圖3所示。

　　圖3為初始化狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，初始化過程如下：系統(tǒng)復(fù)位時，DRAM空操作，初始化狀態(tài)機(jī)處于i_NOP狀態(tài)，系統(tǒng)復(fù)位完成且電源和時鐘處于穩(wěn)定狀態(tài)時，DRAM初始化序列開始執(zhí)行，經(jīng)1次充電、2次刷新和載入工作模式操作，最后進(jìn)入就緒狀態(tài)，初始化序列完成。

　　初始化狀態(tài)機(jī)中的載入模式狀態(tài)啟動DRAM內(nèi)部載人工作模式命令，將地址總線上的數(shù)據(jù)加載到DRAM的模式寄存器中，配置用戶所需要的工作模式。模式寄存器的內(nèi)容定義了猝發(fā)長度、猝發(fā)類型及CAS延遲等，只要DRAM模塊處于空操作狀態(tài)，模式寄存器可以載入不同的值，繼而改變DRAM的工作模式。

　　另外，由于DRAM的延遲周期根據(jù)實(shí)際DRAM速度級別的不同而不同，在延遲狀態(tài)中等待的時鐘周期數(shù)與時鐘周期tCK相關(guān)，當(dāng)時鐘周期tCK大于延遲時間時(這里延遲時間指：充電周期、刷新周期和載入延遲)，實(shí)際上就不需要等待，在初始化過程中，充電、刷新和載入工作模式到最后就緒狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換為圖3中虛線表示的轉(zhuǎn)換過程。

3.3 讀寫周期

　　圖4為VIM-1嵌入式存儲控制器命令狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制對DRAM的讀、寫訪問和刷新操作。

　　系統(tǒng)復(fù)位時，DRAM空操作，命令狀態(tài)機(jī)處于空閑狀態(tài)，DRAM初始化完成后，命令狀態(tài)機(jī)對總線地址選通信號sys_ADSn(低電平有效，表示總線請求)和刷新請求信號sys_REF_REQ進(jìn)行檢測，如果有刷新請求，那么命令狀態(tài)機(jī)模塊控制DRAM進(jìn)入刷新周期，否則，若總線地址選通信號sys_ADSn有效，命令狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入激活狀態(tài)，則DRAM進(jìn)入讀寫周期。

　　命令狀態(tài)機(jī)從激活狀態(tài)無條件轉(zhuǎn)入激活延遲狀態(tài)，在激活延遲狀態(tài)對系統(tǒng)控制總線上的讀寫命令信號進(jìn)行檢測，若信號為高電平(表示讀訪問)則命令狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入讀操作狀態(tài)，繼而進(jìn)行對DRAM讀取數(shù)據(jù)操作；否則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)人寫操作狀態(tài)，執(zhí)行寫訪問。

　　對DRAM一個完整的讀訪問周期需要經(jīng)過的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程為空閑-激活-激活延遲-讀操作-CAS延遲-數(shù)據(jù)輸出，最后回到空閑狀態(tài)。而對DRAM一個完整的寫訪問周期則需要經(jīng)過空閑-激活-激活延遲-寫操作-數(shù)據(jù)寫入-寫恢復(fù)-空閑的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程。

　　在所實(shí)現(xiàn)的VIM-1嵌入式存儲控制器中，將DRAM地址位A[10]恒置高電平，設(shè)置為自動充電模式，所以對DRAM的充電隱藏在DRAM讀寫命令操作中。命令狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換過程中所涉及到的延遲等待時間，由DRAM模塊速度和延遲參數(shù)確定。從c_ACTIVE到c_WRITE或c_READ狀態(tài)之間的虛線表示，在激活延遲小于1個時鐘周期的情況下，DRAM從激活狀態(tài)直接轉(zhuǎn)換到讀／寫操作狀態(tài)，延遲實(shí)際上隱藏在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時鐘周期中。

3.4 刷新周期

　　DRAM存儲器需要進(jìn)行定時刷新，刷新周期描述如下：

(1)刷新模塊每經(jīng)過1個刷新請求周期，向控制模塊發(fā)出刷新請求信號sys_REF_REQ；

(2)存儲控制器的控制模塊發(fā)出應(yīng)答信號sys_REFACK對請求信號進(jìn)行確認(rèn)；

(3)應(yīng)答信號在整個刷新階段有效，sys_REF_REQ信號發(fā)出后必須得到sys_REF_ACK的確認(rèn)，否則一直保持為高；

(4)在sys_REF_ACK有效期間，不能允許進(jìn)行讀寫訪問，直到刷新周期完畢，在刷新期間系統(tǒng)接口所有命令將被忽略；

(5)接收刷新請求后，命令狀態(tài)機(jī)經(jīng)過c_AR刷新狀態(tài)-c_tRFC刷新等待狀態(tài)-c_idle空閑狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程完成對DRAM的刷新控制。并等待接收系統(tǒng)訪存指令，完成下一輪的讀／寫周期。

3.5 時序控制

時序控制是存儲控制器實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵部件，在VIM-1嵌入式存儲控制器中用1個計(jì)時器子模塊來實(shí)現(xiàn)對存控內(nèi)狀態(tài)機(jī)的時序控制。計(jì)時器子模塊中包括1個時鐘周期數(shù)鎖存器ClkCNT和1個計(jì)時復(fù)位信號Reset_ClkCNT，具體時序控制描述如下：

(1)鎖存器ClkCNT按時鐘周期遞增，每時鐘周期ClkCNT的值加1，直到Reset_ClkCNT復(fù)位信號置1，ClkCNT清0；

(2)狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換到某個需要延遲操作的狀態(tài)時，Reset ClkCNT復(fù)位信號置1，此時CIkCNT清0；

(3)狀態(tài)機(jī)進(jìn)入延遲等待狀態(tài)，同時將Reset_ClkCNT復(fù)位信號置0，計(jì)時器從0開始計(jì)數(shù)，ClkCNT按時鐘周期遞增1；

(4)ClkCNT值到達(dá)指定延遲時間，相關(guān)狀態(tài)機(jī)子模塊控制狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換，同時將Reset_ClkCNT置1，ClkCNT清0，進(jìn)入下一個狀態(tài)的時序控制。

4 功能模擬及綜合驗(yàn)證

4.1 存儲控制器功能模擬

　　在modelsim 5.7中對VIM-1嵌入式存儲器進(jìn)行了功能模擬，下面分別給出讀寫訪問功能模擬結(jié)果。圖5為存儲控制器寫周期時序波形圖。該時序波形圖反映了存儲控制器將數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)00000009H(H表示16進(jìn)制)寫入DRAM的過程。從圖5中可以看到存儲控制器在狀態(tài)機(jī)cstate處于0110狀態(tài)時240 ns，將數(shù)據(jù)送到輸出數(shù)據(jù)線sdr_odq上，數(shù)據(jù)值為00000009H；完成數(shù)據(jù)的寫入后，狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)到寫恢復(fù)狀態(tài)0111(260 ns)，經(jīng)過兩個周期后在280 ns回到空閑狀態(tài)0000，寫周期完成。

　　圖6為存儲控制器讀周期時序波形圖。同寫周期時序波形圖一樣，圖中正確反映了命令狀態(tài)機(jī)在檢測到控制總線上讀命令后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的延遲周期，每種狀態(tài)所對應(yīng)的DRAM命令信號，系統(tǒng)地址和數(shù)據(jù)總線上的值，DRAM地址線和數(shù)據(jù)線上的值。通過一系列的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，在狀態(tài)機(jī)cstate轉(zhuǎn)換到1010數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)(350 ns)時，存儲控制器將前面存入DRAM存儲單元中的數(shù)據(jù)00000009H，讀取出來并傳送到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線sys_odata上。

4.2 FPGA綜合驗(yàn)證

　　在QuartusⅡ環(huán)境中采用Altera的Stratix FPGA系列中的EPlS80對VIM-1嵌入式存儲控制器進(jìn)行了綜合，下面是存儲控制器綜合結(jié)果。

5 結(jié)語

　　在PIM中嵌入向量處理邏輯的VIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能充分發(fā)揮PIM高帶寬、低延遲、低功耗的特點(diǎn)，可以有效解決存儲性能瓶頸問題。基于VIM的嵌入式存儲控制器是VIM系統(tǒng)的方存控制部件，是影響系統(tǒng)性能的發(fā)揮的關(guān)鍵，本文實(shí)現(xiàn)的VIM-1嵌入式存儲控制器支持多種讀寫模式，具有嚴(yán)格的時序控制，每個存儲控制器對應(yīng)單獨(dú)的存儲模塊，和VIM的存儲交叉開關(guān)接口，使得多個方存部件可以同時訪問多個存儲體，具有較強(qiáng)的研究和應(yīng)用價值。