嵌入式DSP访问片外SDRAM的低功耗设计研究

摘要：为了降低DSP外部SDRAM存储系统的功耗，针对DSP访问片外SDRAM的功耗来源特点，提出了基于总线利用率动态监测的读写归并方案。该方案动态监测外部存储器接口(EMIF)总线的利用率，根据总线利用率的不同选择开放的页策略、封闭的页策略或休眠模式；设计了简化的指令Cache(I—Cache)，采用块读的方法取指令；设计了写后数据缓冲区，由EMIF对同一行的读写进行归并。经计算，根据EMIF总线利用率的不同(10％～40％)，该方案相比单纯采用开放的页策略，功耗可减少5％～20％左右。
关键词：DSP；SDRAM；低功耗；读写归并

    DSP有限的片内存储器容量往往使得设计人员感到捉襟见肘，特别是在数字图像处理、语音处理等应用场合，需要有高速大容量存储空间的强力支持。因此，需要外接存储器来扩展DSP的存储空间。
    在基于DSP的嵌入式应用中，存储器系统逐渐成为功耗的主要来源。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片，在读写时功耗最大可以到达924 mW，而大部分DSP的内核功耗远远小于这个数值。如TI的TMS320C55x系列的内核功耗仅仅为0．05 mW／MIPS。所以说，优化存储系统的功耗是嵌入式DSP极其重要的设计目标。本文主要以访问外部SDRAM为例来说明降低外部存储系统功耗的设计方法。

1 SDRAM功耗来源
    SDRAM内部一般分为多个存储体，通过行、列地址分时复用，系统地址总线对不同存储体内不同页面的具体存储单元进行寻址。SDRAM每个存储体有2个状态，即激活状态和关闭状态。在一次读写访问完毕后，维持存储体激活状态称为开放的页策略(open-page policy)，页面寄存器中保存已经打开的行地址，直到它不得不被关闭，比如要执行刷新命令等；访问完毕后关闭存储体称为封闭的页策略(close-page pol-icy)。
    为了更好地决定选择哪种策略，需要熟悉SDRAM功耗的特点。SDRAM的功耗主要有3个来源：激活关闭存储体、读写和刷新。在大部分程序中，激活关闭存储体引起的功耗占到访存操作的总功耗的一半以上。图1给出了对同一SDRAM行进行读写时，采用开放的页策略和封闭的页策略的功耗比较(假设激活关闭存储体一次消耗功耗为1)，经计算可知，若连续的几个读写操作在同一行，采用开放的页策略可以节省功耗。

    根据上面对SDRAM功耗的特点的分析可知，尽量减少激活／关闭存储体引起的附加功耗开销，是优化SDRAM存储系统功耗的根本，另外不能忽视一直处于激活状态的存储体带来的功耗。

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2 访问SDRAM的低功耗优化设计方案
    为更好的管理外部SDRAM，大部分嵌入式DSP片上集成和外部存储器的接口EMIF(External Memory Interface)，DSP的片内设备通过EMIF访问和管理存储器。由EMIF将对同一行的读写尽量归并到一起进行，减少激活／关闭存储体引起的附加功耗开销。图2为基于总线监测的读写归并设计方案的框图。

    1)采用块读的方法取指令。加入简化的指令Cache(I-Cache)，将对SDRAM的读程序读操作按块进行。只有在Cache错过时，由Cache通过EMIF对SDRAM进行块读，每次读16个字节。
    2)加入写后数据缓冲区(WPB，Write Post Buffer)，将数据总线上的请求发往WPB，由WPB对SDRAM进行块写、读写归并。
    3)动态监测EMIF总线的利用率，块读和读写归并时采用开放的页策略，当总线利用率较低时，采用封闭的页策略，当总线利用率很低时，将SDRAM进入休眠模式。

3 访问SDRAM的低功耗设计
3．1 采用块读的I-Cache
    对于程序总线的读操作，根据程序的局部性原理，下一次要取得指令和当前要取指的指令在空间上很可能相邻，因此对于读程序采用块读的方法，每次读一个块，而不是一个字，并采用开放的页策略，因此对同一行的读写操作不需要额外的激活／关闭操作，可以较快的完成。
    当指令放在片外存储器里时，可以将CPU最近使用的指令放在I-Cache中，鉴于改善整个系统的性能和低功耗设计的需求。DSP的I-Cache大小设计为8 KB，包括2块存储器，其结构相同，每一块结构如下：
    1)数据队列，每个队列包含256行，每行16个字节。当I-Cache错过时，会采用最近最少使用算法(LRU)替换掉最长时间没有使用的行。
    2)行有效位队列，每行有一个行有效位，一旦一行装满数据。就置位该行有效位。
    3)标签队列，每一行有一个标签域，表明该行的数据的起始地址。当一行填满，相应的标签将存到该行的标签域中。
    如果要取的指令字在I-Cache中(命中)，I-Cache会直接将其送给DSP。如果要取的指令字不在I-Cache中(错过)，I-Cache会通过EMIF从外部存储器接口读取4个32 b的代码块。一旦这个指令字被读到I-Cache中，就送给CPU。
3．2 写后缓冲区的设计
    数据在存储器中的存放位置可能不像程序空间那么连续，而且数据空间有读写，对数据空间读写SDRAM进行优化的基本思想是，归并对SDRAM同一行的读写操作。具体来说，包括归并对同一行的多个读操作、归并对同一行的多个写操作，归并对同一行的多个读写操作3种情况，文献提出了这种设计方法，其基本思想是：系统从预取缓冲区(FB，Fetch Buffer)中取数据；写数据时，先写到写归并缓冲区(WCB，Write Combine Buffer)；对在FB或WCB中的同一行的读写请求进行归并。但此设计方法是针对有一级Cache的通用微处理器系统，过于复杂，实现代价过高，不适合于本文研究的没有一级数据Cache的DSP，因此这里采用写后缓冲区(Write Post Buffer)的方法，具体设计方法如下：
    1)在EMIF中设立一个写后缓冲区，所有对SDRAM的读写请求均送到写后缓冲区，写后缓冲区立即给CPU响应，CPU可以不用等待写操作的结束而继续执行程序。
    2)每当写后缓冲区接受到一个新的写请求后，首先判断写后寄存器中是否存在和该写操作在SDRAM同一行的写操作，若有，将这两个写操作归并后同时向SDRAM进行写。
    3)当CPU读数据时，首先检查写后缓冲区，若存在要读的数据，直接从写后缓冲区读数据；若不存在，则从写后缓冲区中挑选和当前读操作在同一行的写操作归并后，对SDRAM进行读、写操作。
    设计写后缓冲区不仅可以提高程序的执行效率，还可以节省功耗。综合考虑系统的性能与功耗要求，这里DSP写后缓冲区设计为8 KB，采用和I-Cache类似的结构。[!--empirenews.page--]
3．3 动态监测总线利用率
    SDRAM在所有的行都打开，等待读写操作时的功耗是所有行都关闭时的2倍多，因此SDRAM为了低功耗的需要，设计时都加入了休眠模式。当对同一行有大量的读写时，又需要采用开放的页策略，维持这些行打开。考虑到SDRAM的这些特点，单独采用开放的页策略或封闭的页策略是不合适的，需要结合运用。动态监测EMIF总线的利用率，块读、块写和读写归并时采用开放的页策略，当总线利用率较低时，采用封闭的页策略，当总线利用率很低时，将SDRAM进入休眠模式，需要时再澈活。
    以MT48LC2M32P2为例进行功耗估算，假设前后两次访问命中同一行的概率是90％，当总线利用率(每个周期内总线被平均利用的次数)高于25％时。采用开放的页策略比采用封闭的页策略节省功耗，当总线利用率在25％～20％之间时，采用两种策略差别不大，维持当前采用的策略，当总线利用率低于20％时，采用封闭的页策略比采用开放的页策略节省功耗，当总线利用率低于10％时，在采用封闭的页策略的同时，每次访问结束后都将SDRAM进入休眠模式，比单纯采用封闭的页策略更节约功耗。
    文献统计了通用处理器中不同程序的总线的利用率，如表1所示。可见，对于不同的程序，总线利用率差别较大。根据当前总线的利用率来决定采用何种策略访问SDRAM是比较合适的。

4 优化后的EMIF的性能分析
    对采用的总线监测的读写归并方案进行计算，假设前后命中同一行的概率是90％，根据Micron数据手册计算，归并两个写操作功耗减少24％，对不同的总线利用率的计算结果如图3所示。

5 结束语
    在基于DSP的嵌入式应用系统中，存储系统的功耗占据系统功耗的大部分。当外部存储器采用SDRAM时，降低SDRAM的换行访问可以节约大量的功耗。本文设计的基于总线监测的读写归并方案，不仅降低了外部存储系统的功耗，而且可以在一定程度上提高存储系统的性能。加入的I-Cache可以使程序总线更快地读指令，加入的写后缓冲区(WPB)可以使CPU不用等待缓慢的外部写操作的结束而直接继续执行指令。