基于總線監(jiān)測的讀寫歸并方案設(shè)計研究

摘要：為了降低DSP外部SDRAM存儲系統(tǒng)的功耗，針對DSP訪問片外SDRAM的功耗來源特點，提出了基于總線利用率動態(tài)監(jiān)測的讀寫歸并方案。該方案動態(tài)監(jiān)測外部存儲器接口（EMIF）總線的利用率，根據(jù)總線利用率的不同選擇開放的頁策略、封閉的頁策略或休眠模式；設(shè)計了簡化的指令Cache（I—Cache），采用塊讀的方法取指令；設(shè)計了寫后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，由EMIF對同一行的讀寫進(jìn)行歸并。經(jīng)計算，根據(jù)EMIF總線利用率的不同（10％～40％），該方案相比單純采用開放的頁策略，功耗可減少5％～20％左右。
　　關(guān)鍵詞：DSP；SDRAM；低功耗；讀寫歸并
　　DSP有限的片內(nèi)存儲器容量往往使得設(shè)計人員感到捉襟見肘，特別是在數(shù)字圖像處理、語音處理等應(yīng)用場合，需要有高速大容量存儲空間的強(qiáng)力支持。因此，需要外接存儲器來擴(kuò)展DSP的存儲空間。
　　在基于DSP的嵌入式應(yīng)用中，存儲器系統(tǒng)逐漸成為功耗的主要來源。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片，在讀寫時功耗最大可以到達(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，優(yōu)化存儲系統(tǒng)的功耗是嵌入式DSP極其重要的設(shè)計目標(biāo)。本文主要以訪問外部SDRAM為例來說明降低外部存儲系統(tǒng)功耗的設(shè)計方法。
　　1 SDRAM功耗來源
　　SDRAM內(nèi)部一般分為多個存儲體，通過行、列地址分時復(fù)用，系統(tǒng)地址總線對不同存儲體內(nèi)不同頁面的具體存儲單元進(jìn)行尋址。SDRAM每個存儲體有2個狀態(tài)，即激活狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)。在一次讀寫訪問完畢后，維持存儲體激活狀態(tài)稱為開放的頁策略（open-page policy），頁面寄存器中保存已經(jīng)打開的行地址，直到它不得不被關(guān)閉，比如要執(zhí)行刷新命令等；訪問完畢后關(guān)閉存儲體稱為封閉的頁策略（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。SDRAM的功耗主要有3個來源：激活關(guān)閉存儲體、讀寫和刷新。在大部分程序中，激活關(guān)閉存儲體引起的功耗占到訪存操作的總功耗的一半以上。圖1給出了對同一SDRAM行進(jìn)行讀寫時，采用開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較（假設(shè)激活關(guān)閉存儲體一次消耗功耗為1），經(jīng)計算可知，若連續(xù)的幾個讀寫操作在同一行，采用開放的頁策略可以節(jié)省功耗。
　　
　　根據(jù)上面對SDRAM功耗的特點的分析可知，盡量減少激活／關(guān)閉存儲體引起的附加功耗開銷，是優(yōu)化SDRAM存儲系統(tǒng)功耗的根本，另外不能忽視一直處于激活狀態(tài)的存儲體帶來的功耗。
　　2 訪問SDRAM的低功耗優(yōu)化設(shè)計方案
　　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器的接口EMIF（External Memory Interface），DSP的片內(nèi)設(shè)備通過EMIF訪問和管理存儲器。由EMIF將對同一行的讀寫盡量歸并到一起進(jìn)行，減少激活／關(guān)閉存儲體引起的附加功耗開銷。圖2為基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設(shè)計方案的框圖。