基于當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器控制器設(shè)計(jì)

1、引言

當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越受存儲(chǔ)性能的限制。處理器性能每年以60％的速率增長(zhǎng)，存儲(chǔ)器芯片每年僅僅增加10％的帶寬，本文就如何設(shè)計(jì)一種符合當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)的高效存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行研究。

本文第二部分介紹當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；第三部分介紹存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)以及調(diào)度算法；第四部分介紹模擬環(huán)境以及性能表現(xiàn)。

2、當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)

為了提高存儲(chǔ)器的性能，存儲(chǔ)器控制器的設(shè)計(jì)必須充分利用當(dāng)代DRAM的特點(diǎn)。DRAM是3D的存儲(chǔ)器（體行列），每個(gè)體獨(dú)立于其他體操作并且一次存取整行。當(dāng)存儲(chǔ)陣列的一行被存?。ㄐ屑せ睿?，存儲(chǔ)陣列的整行被傳輸?shù)竭@個(gè)體的行緩沖。當(dāng)一行在行緩沖中處于激活態(tài)，任何的讀寫(xiě)（列存?。┛梢詧?zhí)行。當(dāng)完成所有可利用的列存取，被緩沖的行必須依靠外在的操作（體預(yù)充電）寫(xiě)回存儲(chǔ)陣列，為后來(lái)的行激活操作做準(zhǔn)備。

存儲(chǔ)器存取調(diào)度者必須滿足DRAM時(shí)序和資源限制。共享的地址和數(shù)據(jù)線資源使存取串行化到不同的DRAM體，但是每個(gè)體的狀態(tài)機(jī)是獨(dú)立的。因此，調(diào)度者必須仲裁要使用單一資源的預(yù)充電、行、列操作。要充分利用存儲(chǔ)帶寬，必須每次行激活下有足夠的列存取并且隱藏其他體的預(yù)充電/激活延遲。

3、存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法

存儲(chǔ)器存取調(diào)度是排序DRAM操作（體預(yù)充電，行激活，列存?。┩瓿僧?dāng)前掛起的存儲(chǔ)器存取的過(guò)程。操作表示一個(gè)命令（如行激活、列存取），被存儲(chǔ)器控制器發(fā)射到DRAM。訪問(wèn)表示由處理器產(chǎn)生的存儲(chǔ)器訪問(wèn)（如讀訪問(wèn)或者寫(xiě)訪問(wèn)）。一個(gè)訪問(wèn)產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)器操作。

圖1.存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)

圖1顯示采用存取調(diào)度算法的控制器結(jié)構(gòu)。每個(gè)體有預(yù)充電管理器，行仲裁器。預(yù)充電管理器決定什么時(shí)候?qū)εc他相關(guān)的體預(yù)充電。每個(gè)體的行仲裁器決定哪一行被激活。列仲裁器被所有體共享，授權(quán)共享的數(shù)據(jù)線資源給來(lái)自所有掛起的訪問(wèn)的列存取。最后，預(yù)充電管理器、行仲裁器、列仲裁器發(fā)射選擇的操作給單一的地址仲裁器，地址仲裁器授予共享地址資源給一個(gè)或者多個(gè)操作。

預(yù)充電管理器，行仲裁器，列仲裁器可以使用多個(gè)不同的策略選擇DRAM操作。由于地址線資源的是共享的，地址仲裁器策略決定哪個(gè)預(yù)充電、激活、列操作被執(zhí)行。跟其他調(diào)度策略一樣，按序或者優(yōu)先權(quán)策略可用來(lái)作為地址仲裁器策略。列優(yōu)先調(diào)度策略可以減少到激活行的訪問(wèn)延遲，然而預(yù)充電優(yōu)先或者行優(yōu)先調(diào)度策略會(huì)增加體并行性。

下面介紹幾種預(yù)充電管理器，行仲裁器，列仲裁器可能使用的調(diào)度策略：

In order：DRAM操作只會(huì)執(zhí)行最早請(qǐng)求掛起的訪問(wèn)；

Ordered：越老的訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)越高；

Open：只有在其他行有掛起的訪問(wèn)而激活行沒(méi)有掛起的訪問(wèn)才進(jìn)行體預(yù)充電。當(dāng)有顯著的行局部性使得后來(lái)的訪問(wèn)命中前面訪問(wèn)的行，Open策略應(yīng)該采用；

Closed：只要激活行沒(méi)有掛起的訪問(wèn)體就預(yù)充電。后來(lái)的訪問(wèn)不太會(huì)命中前面訪問(wèn)的行，closed策略應(yīng)該采用。

4、控制器性能表現(xiàn)

傳輸帶寬而不是訪問(wèn)延遲驅(qū)動(dòng)流處理器性能。因此流媒體處理系統(tǒng)是首要的需要存儲(chǔ)器存取調(diào)度。為了評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器存取調(diào)度對(duì)于媒體處理器的性能影響，通過(guò)模擬運(yùn)行典型的基準(zhǔn)程序。

4.1模擬環(huán)境及基準(zhǔn)

Imagine流存儲(chǔ)系統(tǒng)包括2個(gè)地址產(chǎn)生器，4個(gè)交叉存儲(chǔ)體控制器，2個(gè)記錄緩沖按正確順序放置流數(shù)據(jù)在SRF。所有這些單元在同一芯片Imagine處理器核中。地址產(chǎn)生器支持3種地址模式：常量跨步，間接尋址，位翻轉(zhuǎn)。地址產(chǎn)生器可以產(chǎn)生任何長(zhǎng)度的存儲(chǔ)器訪問(wèn)流，只要數(shù)據(jù)適合SRF。對(duì)于跨步訪問(wèn)，地址產(chǎn)生器利用基址、跨步、長(zhǎng)度，連續(xù)的地址依照基地址增加跨步常量。對(duì)于間接尋址，基地址加上來(lái)自SRF的變址計(jì)算地址。實(shí)驗(yàn)運(yùn)行在一組微基準(zhǔn)上，如表1。

4.2性能表現(xiàn)分析

存儲(chǔ)器控制器以執(zhí)行沒(méi)有重排序作為性能比較的基礎(chǔ)。即控制器使用按序策略：列存取只執(zhí)行最早掛起的訪問(wèn)。如圖2黑色的條狀代表按序策略性能。unit load取得DRAM峰值帶寬(2GB/s)的97%，3%的開(kāi)銷(xiāo)是有時(shí)預(yù)充電/激活延遲；unit load到unit持續(xù)帶寬14%的下降是因?yàn)樽x和寫(xiě)交叉，讀訪問(wèn)和寫(xiě)訪問(wèn)轉(zhuǎn)換需要1周期的數(shù)據(jù)引腳高阻態(tài)；unit conflict由于體內(nèi)行來(lái)回交換使得帶寬下降到峰值得51%；random只有unit load 的15%帶寬，因?yàn)榇嫒∫粋€(gè)字需要7 DRAM周期。

4.3.1? 簡(jiǎn)單調(diào)度

簡(jiǎn)單的First-ready存取調(diào)度策略平均提高25%性能。First-ready調(diào)度采用ordered優(yōu)先，如表1，來(lái)決定所有的調(diào)度。First-ready調(diào)度者考慮所有的掛起訪問(wèn)并且為不違反時(shí)序和資源限制的最早掛起的訪問(wèn)調(diào)度1個(gè)DRAM操作。這個(gè)調(diào)度算法最明顯的好處就是當(dāng)?shù)却秊榱俗钤鐠炱鹪L問(wèn)的預(yù)充電或者激活操作時(shí)，可以同時(shí)對(duì)其他體進(jìn)行存取，DRAM內(nèi)部多體并行。

圖2. 按序和first-ready存取調(diào)度下的存儲(chǔ)器帶寬

圖2，first-ready調(diào)度算法比按序在微基準(zhǔn)最多增加性能79%。unit load提高較??；Random提高125%，因?yàn)樗麄兡軌蝻@著提高每次行激活列存取的數(shù)量。

4.3.2? 復(fù)雜調(diào)度

更加具有挑戰(zhàn)性的調(diào)度算法能夠進(jìn)一步提高性能，這部分將研究4種調(diào)度算法進(jìn)一步提高存儲(chǔ)器帶寬。如圖3，包含random的基準(zhǔn)偏向關(guān)預(yù)充電策略，這種策略只要激活行沒(méi)有掛起訪問(wèn)就進(jìn)行體預(yù)充電。對(duì)于大部分其他基準(zhǔn)，開(kāi)和關(guān)預(yù)充電策略相差甚微。除了Unit load用col/closed算法表現(xiàn)差，其他基準(zhǔn)都有較大性能提高。

圖3.各種存取調(diào)度算法情況下的存儲(chǔ)器帶寬

5、結(jié)論

本文創(chuàng)新點(diǎn)：存儲(chǔ)器存取調(diào)度大大地增加了DRAM存取帶寬的利用，緩沖存儲(chǔ)器訪問(wèn)命令，按照某個(gè)順序選擇執(zhí)行，既有體間并行又最大化利用每個(gè)行命令的列存取數(shù)量，使得系統(tǒng)性能提高。在大部分基準(zhǔn)下，關(guān)閉頁(yè)調(diào)度策略是有利的。這部分地因?yàn)镈RAM有合并最后列存取請(qǐng)求的體預(yù)充電的能力。調(diào)度算法是否行優(yōu)先或者列優(yōu)先在性能上差異較小。最后，調(diào)度讀優(yōu)先于寫(xiě)可提高性能。存儲(chǔ)器存取調(diào)度是最大利用日益寶貴的存儲(chǔ)器帶寬資源的重要技術(shù)。