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基于总线监测的读写归并方案设计研究
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2017-10-30
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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。
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。
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。
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。
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