便攜設(shè)備訪問片外SDRAM的低功耗設(shè)計(jì)研究
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源。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片,在讀寫時(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,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)。本文主要以訪問外部SDRAM為例來說明降低外部存儲(chǔ)系統(tǒng)功耗的設(shè)計(jì)方法。
1 SDRAM功耗來源
SDRAM內(nèi)部一般分為多個(gè)存儲(chǔ)體,通過行、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)。在一次讀寫訪問完畢后,維持存儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)。SDRAM的功耗主要有3個(gè)來源:激活關(guān)閉存儲(chǔ)體、讀寫和刷新。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)行讀寫時(shí),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(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)讀寫操作在同一行,采用開放的頁策略可以節(jié)省功耗。
圖1 開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較
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)體帶來的功耗。
2 訪問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EMIF訪問和管理存儲(chǔ)器。由EMIF將對(duì)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(chǔ)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(jì)方案的框圖。
圖2 基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設(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)過時(shí),由Cache通過EMIF對(duì)SDRAM進(jìn)行塊讀,每次讀16個(gè)字節(jié)。
2)加入寫后數(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、讀寫歸并。
3)動(dòng)態(tài)監(jiān)測EMIF總線的利用率,塊讀和讀寫歸并時(shí)采用開放的頁策略,當(dāng)總線利用率較低時(shí),采用封閉的頁策略,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,并采用開放的頁策略,因此對(duì)同一行的讀寫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)過時(shí),會(huì)采用最近最少使用算法(LRU)替換掉最長時(shí)間沒有使用的行。
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),I-Cache會(huì)通過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,對(duì)數(shù)據(jù)空間讀寫SDRAM進(jìn)行優(yōu)化的基本思想是,歸并對(duì)SDRAM同一行的讀寫操作。具體來說,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)寫操作,歸并對(duì)同一行的多個(gè)讀寫操作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);寫數(shù)據(jù)時(shí),先寫到寫歸并緩沖區(qū)(WCB,Write Combine Buffer);對(duì)在FB或WCB中的同一行的讀寫請(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),過于復(fù)雜,實(shí)現(xiàn)代價(jià)過高,不適合于本文研究的沒有一級(jí)數(shù)據(jù)Cache的DSP,因此這里采用寫后緩沖區(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)寫后緩沖區(qū),所有對(duì)SDRAM的讀寫請(qǐng)求均送到寫后緩沖區(qū),寫后緩沖區(qū)立即給CPU響應(yīng),CPU可以不用等待寫操作的結(jié)束而繼續(xù)執(zhí)行程序。
2)每當(dāng)寫后緩沖區(qū)接受到一個(gè)新的寫請(qǐng)求后,首先判斷寫后寄存器中是否存在和該寫操作在SDRAM同一行的寫操作,若有,將這兩個(gè)寫操作歸并后同時(shí)向SDRAM進(jìn)行寫。
3)當(dāng)CPU讀數(shù)據(jù)時(shí),首先檢查寫后緩沖區(qū),若存在要讀的數(shù)據(jù),直接從寫后緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù);若不存在,則從寫后緩沖區(qū)中挑選和當(dāng)前讀操作在同一行的寫操作歸并后,對(duì)SDRAM進(jìn)行讀、寫操作。
設(shè)計(jì)寫后緩沖區(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)測總線利用率
SDRAM在所有的行都打開,等待讀寫操作時(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時(shí),又需要采用開放的頁策略,維持這些行打開。考慮到SDRAM的這些特點(diǎn),單獨(dú)采用開放的頁策略或封閉的頁策略是不合適的,需要結(jié)合運(yùn)用。動(dòng)態(tài)監(jiān)測EMIF總線的利用率,塊讀、塊寫和讀寫歸并時(shí)采用開放的頁策略,當(dāng)總線利用率較低時(shí),采用封閉的頁策略,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)。采用開放的頁策略比采用封閉的頁策略節(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),采用封閉的頁策略比采用開放的頁策略節(jié)省功耗,當(dāng)總線利用率低于10%時(shí),在采用封閉的頁策略的同時(shí),每次訪問結(jié)束后都將SDRAM進(jìn)入休眠模式,比單純采用封閉的頁策略更節(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?,對(duì)于不同的程序,總線利用率差別較大。根據(jù)當(dāng)前總線的利用率來決定采用何種策略訪問SDRAM是比較合適的。
通用處理器中不同程序的總線的利用率
4 優(yōu)化后的EMIF的性能分析
對(duì)采用的總線監(jiān)測的讀寫歸并方案進(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)手冊計(jì)算,歸并兩個(gè)寫操作功耗減少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)測的讀寫歸并方案功耗計(jì)算
5 結(jié)束語
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的換行訪問可以節(jié)約大量的功耗。本文設(shè)計(jì)的基于總線監(jiān)測的讀寫歸并方案,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,加入的寫后緩沖區(qū)(WPB)可以使CPU不用等待緩慢的外部寫操作的結(jié)束而直接繼續(xù)執(zhí)行指令。
評(píng)論