發布日期：2022-10-09 點擊率：137
1 引言 隨著VLSI技術的迅猛發展，微處理器主頻日益提高、性能飛速增長，盡管與此同時存儲器集成度也越來越高、存取延時也在不斷下降，但是處理器性能的年增長速度為50％～60％，而存儲器性能每年提高的幅度只有5％～7％，DRAM存儲器的低帶寬和高延遲使高性能處理器無法充分發揮其性能，處理器和存儲器之間速度的差距越來越成為制約整個系統性能的瓶頸。眾多的研究者從微體系結構出發，采取亂序執行、多線程、預取、分支預測、推斷執行等技術，或多級 Cache的層次式存儲結構來彌補微處理器與存儲器性能差距，但是這些技術存在多種問題：復雜、占用面積大、資源利用率低、造價高、耗盡存儲帶寬等，并不能真正解決存儲瓶頸問題。即使一些新的存儲器產品的出現，如DDR存儲器，Rambus存儲器等，雖然一定程度上提高了存儲器的頻率，但處理器和存儲器之間的性能差距還是在進一步拉大。如何才能真正消除存儲器性能瓶頸呢?PIM技術（Processing in Memory），即把處理器和存儲器緊密集成到一塊芯片上，半導體制造工藝的進步使CMOS邏輯單元可以和SRAM或DRAM集成在一個硅片上，這樣可以突破芯片間引腳的限制，充分發揮存儲器的隱藏帶寬，同時降低訪問延時（將片間訪問延時轉換成片內訪問延時遲）。以PIM技術為基礎，用向量部件作為協處理器構成的 Vector In Memory（VIM）體系結構，可充分發揮PIM高帶寬、低延遲、低功耗的特點，開發數據級并行，是解決存儲系統性能瓶頸的有效途徑。本文具體闡述VIM體系結構中影響存儲系統性能的關鍵部件嵌入式存儲控制器的設計與實現。 2 VIM體系結構 VIM是一種面向流式數據處理的向量體系結構，其微體系結構的處理器部分由1個標量核和1個向量協處理器構成，嵌入式存儲控制器和存儲器構成片上 DRAM存儲系統，處理器部分和存儲系統之間由高速存儲交叉開關互連。VIM體系結構最重要的特征就是向量處理器和嵌入式存儲器的結合。圖1中給出了 VIM系統結構的典型框架結構。 2.1 RISC標量核 VIM標量核為可綜合、高集成度的32位RISC處理核，其指令集與SPARC V8兼容；標量核包括整數部件、浮點部件，支持用戶態和超級用戶態（管態）2種工作模式；主要功能是執行標量指令（SPARC指令集），處理異常和中斷，為向量部件輸送向量指令，完成標量核與向量部件之間的數據傳遞，并與主機進行通信完成取指、譯碼工作。 2.2 向量部件 向量部件作為標量核的協處理器，執行擴展的向量指令，與標量部件并行執行。由向量指令隊列、向量控制器、向量核寄存器文件、向量Lane等部分構成。向量指令隊列VIQ，為異步FIFO隊列。標量核通過部分譯碼將識別出的向量指令寫入VIQ，由向量取指單元從中順序取出指令交由譯碼部分再次譯碼。向量控制器保證向量指令的正確執行，完成向量流水線控制。向量核寄存器文件由向量寄存器文件、標量寄存器文件、控制寄存器文件和標志寄存器文件構成，包括 32個32位寄存器。向量Lane由并行的向量流水線構成，包括完全流水的LSU，ALU，FPU等部件。每個Lane可以看成一條數據通路，完成對特定寬度數據的處理，多個Lane之間可以并行執行。 2.3 嵌入式存儲系統及I／O 嵌入式存儲系統由存儲互連交叉開關、嵌人式存儲控制器和存儲器構成，存儲互連交叉開關用于片內運算部件訪存時的地址翻譯、訪存指令的路由以及讀取數據的返回，其將標量訪存部件、向量Lane訪存部件和嵌入式存儲器互連起來，具有多端口、高帶寬、低延時的特點。嵌入式存儲控制器接收從存儲交叉開關傳送過來的訪存指令，實現對DRAM的數據存取。存儲器是由4個獨立的存儲體組成的一個多體交叉存儲器，每個存儲體都有自己獨立的存取控制接口，體內又分成 4個子體。采用多體存儲器可使映射到不同存儲體的訪存指令可以同時執行，并行對多個向量元素進行操作，同時每個存儲體都對應各自的存儲控制器，相對于集中式存儲控制而言訪問延時更低、功耗更小。I／O接口用于實現多個VIM節點間互連和掛接一些I／O設備。 嵌入式存儲控制器實現對DRAM存儲體的初始化、激活、行選、列選、自動充電、定時刷新、讀延遲、寫恢復等功能控制，支持4種突發讀寫模式、兩種行選延時選擇，具有嚴格的時序。下面將詳細闡述嵌入式存儲控制器的設計方案，設計思想以及具體實現。 3 嵌入式存儲控制器設計與實現 3.1 嵌入式存儲控制器模塊結構 存儲控制器是系統總線和DRAM之間的控制接口，在VIM的存儲系統中，嵌入式存儲控制器的作用就是將存儲交叉開關所傳輸過來的讀寫控制命令轉換成DRAM的控制信號實現對DRAM的讀寫、刷新等控制；將存儲交叉開關傳輸過來的地址分解成Bank地址、行地址和列地址，在特定的時候傳輸到DRAM 地址線上；以及控制數據總線和DRAM數據線的數據輸入輸出。 實現VIM-1嵌入式存儲控制器，圖2所示為其模塊結構，存儲控制器由主控制模塊、信號產生模塊、刷新模塊和數據通路構成。 下面具體對每個模塊的功能進行闡述： 3.1.1 主控制模塊 主控制模塊實現對DRAM各種功能的控制，由初始化狀態機子模塊、命令狀態機子模塊和計數器子模塊構成。 初始化狀態機子模塊 在計時子模塊的時序控制下，產生DRAM初始化過程中所需的各種狀態，通過狀態轉換控制DRAM模塊的初始化，并將其狀態信號iState同時傳送到命令狀態機子模塊、信號產生模塊、計時器子模塊和數據通路中。 命令狀態機子模塊 在計時子模塊的時序控制下，產生DRAM讀寫周期和刷新周期過程中所需的各種狀態，控制對DRAM模塊的讀寫訪問及刷新操作，并將其狀態信號cState傳送到數據通路模塊、計時器子模塊和信號產生模塊中。 計時器子模塊 根據DRAM模塊的時序標準，對DRAM模塊內部操作進行時序控制，主要通過控制初始化狀態機和命令狀態機中的狀態轉化時序，達到控制DRAM內部操作時序的目的。 3.1.2 刷新模塊 產生對DRAM模塊的刷新請求操作：通過內部的計數器控制，每隔一定的時鐘周期（具體時鐘周期數按照DRAM模塊參數而定）向命令狀態機發送刷新請求，直到命令狀態機回復刷新請求應答。 3.1.3 信號產生模塊 信號產生模塊將初始化狀態機發送的狀態iState、命令狀態發送的狀態cState轉換成DRAM所對應的內部命令信號，主要包括 sdr_CKE（時鐘使能信號）、sdr_CSn（片選信號）、sdr_RASn（行選信號）、sdr_CASn（列選信號）、sdr_WEn（讀寫信號）。同時在規定的時序下，將地址總線上傳輸過來的地址信號轉換成DRAM內部所對應的Bank地址和行列地址。 3.1.4 數據通路 數據通路模塊主要功能是在計時器子模塊的時序控制下，根據命令狀態信號，在相應狀態時將數據總線上的數據寫入DRAM存儲體；以及將DRAM數據線sdr_DQ上的數據輸出到系統總線上，同時在數據輸出的過程中將數據有效信號sys_D_Valid置1。 3.2 DRAM初始化 通常在DRAM正常工作，能夠執行存儲訪問前，需要對DRAM進行初始化。主控制模塊中的初始化狀態機子模塊實現對DRAM的初始化操作。如圖3所示。 圖3為初始化狀態機狀態轉換圖，初始化過程如下：系統復位時，DRAM空操作，初始化狀態機處于i_NOP狀態，系統復位完成且電源和時鐘處于穩定狀態時，DRAM初始化序列開始執行，經1次充電、2次刷新和載入工作模式操作，最后進入就緒狀態，初始化序列完成。 初始化狀態機中的載入模式狀態啟動DRAM內部載人工作模式命令，將地址總線上的數據加載到DRAM的模式寄存器中，配置用戶所需要的工作模式。模式寄存器的內容定義了猝發長度、猝發類型及CAS延遲等，只要DRAM模塊處于空操作狀態，模式寄存器可以載入不同的值，繼而改變DRAM的工作模式。 另外，由于DRAM的延遲周期根據實際DRAM速度級別的不同而不同，在延遲狀態中等待的時鐘周期數與時鐘周期tCK相關，當時鐘周期tCK大于延遲時間時（這里延遲時間指：充電周期、刷新周期和載入延遲），實際上就不需要等待，在初始化過程中，充電、刷新和載入工作模式到最后就緒狀態之間的轉換為圖3中虛線表示的轉換過程。 3.3 讀寫周期 圖4為VIM-1嵌入式存儲控制器命令狀態機狀態轉換圖，通過狀態轉換控制對DRAM的讀、寫訪問和刷新操作。 系統復位時，DRAM空操作，命令狀態機處于空閑狀態，DRAM初始化完成后，命令狀態機對總線地址選通信號sys_ADSn（低電平有效，表示總線請求）和刷新請求信號sys_REF_REQ進行檢測，如果有刷新請求，那么命令狀態機模塊控制DRAM進入刷新周期，否則，若總線地址選通信號 sys_ADSn有效，命令狀態機轉入激活狀態，則DRAM進入讀寫周期。 命令狀態機從激活狀態無條件轉入激活延遲狀態，在激活延遲狀態對系統控制總線上的讀寫命令信號進行檢測，若信號為高電平（表示讀訪問）則命令狀態機轉入讀操作狀態，繼而進行對DRAM讀取數據操作；否則狀態機轉人寫操作狀態，執行寫訪問。 對DRAM一個完整的讀訪問周期需要經過的狀態轉換過程為空閑-激活-激活延遲-讀操作-CAS延遲-數據輸出，最后回到空閑狀態。而對DRAM一個完整的寫訪問周期則需要經過空閑-激活-激活延遲-寫操作-數據寫入-寫恢復-空閑的狀態轉換過程。 在所實現的VIM-1嵌入式存儲控制器中，將DRAM地址位A[10]恒置高電平，設置為自動充電模式，所以對DRAM的充電隱藏在DRAM讀寫命令操作中。命令狀態機轉換過程中所涉及到的延遲等待時間，由DRAM模塊速度和延遲參數確定。從c_ACTIVE到c_WRITE或c_READ狀態之間的虛線表示，在激活延遲小于1個時鐘周期的情況下，DRAM從激活狀態直接轉換到讀／寫操作狀態，延遲實際上隱藏在狀態轉換的時鐘周期中。 3.4 刷新周期 DRAM存儲器需要進行定時刷新，刷新周期描述如下： （1）刷新模塊每經過1個刷新請求周期，向控制模塊發出刷新請求信號sys_REF_REQ； （2）存儲控制器的控制模塊發出應答信號sys_REFACK對請求信號進行確認； （3）應答信號在整個刷新階段有效，sys_REF_REQ信號發出后必須得到sys_REF_ACK的確認，否則一直保持為高； （4）在sys_REF_ACK有效期間，不能允許進行讀寫訪問，直到刷新周期完畢，在刷新期間系統接口所有命令將被忽略； （5）接收刷新請求后，命令狀態機經過c_AR刷新狀態-c_tRFC刷新等待狀態-c_idle空閑狀態的轉換過程完成對DRAM的刷新控制。并等待接收系統訪存指令，完成下一輪的讀／寫周期。 3.5 時序控制 時序控制是存儲控制器實現中的關鍵部件，在VIM-1嵌入式存儲控制器中用1個計時器子模塊來實現對存控內狀態機的時序控制。計時器子模塊中包括1個時鐘周期數鎖存器ClkCNT和1個計時復位信號Reset_ClkCNT，具體時序控制描述如下： （1）鎖存器ClkCNT按時鐘周期遞增，每時鐘周期ClkCNT的值加1，直到Reset_ClkCNT復位信號置1，ClkCNT清0； （2）狀態機轉換到某個需要延遲操作的狀態時，Reset ClkCNT復位信號置1，此時CIkCNT清0； （3）狀態機進入延遲等待狀態，同時將Reset_ClkCNT復位信號置0，計時器從0開始計數，ClkCNT按時鐘周期遞增1； （4）ClkCNT值到達指定延遲時間，相關狀態機子模塊控制狀態發生轉換，同時將Reset_ClkCNT置1，ClkCNT清0，進入下一個狀態的時序控制。 4 功能模擬及綜合驗證 4.1 存儲控制器功能模擬 在modelsim 5.7中對VIM-1嵌入式存儲器進行了功能模擬，下面分別給出讀寫訪問功能模擬結果。圖5為存儲控制器寫周期時序波形圖。該時序波形圖反映了存儲控制器將數據總線上的數據00000009H（H表示16進制）寫入DRAM的過程。從圖5中可以看到存儲控制器在狀態機 cstate處于0110狀態時240 ns，將數據送到輸出數據線sdr_odq上，數據值為00000009H；完成數據的寫入后，狀態機轉到寫恢復狀態0111（260 ns），經過兩個周期后在280 ns回到空閑狀態0000，寫周期完成。 圖6為存儲控制器讀周期時序波形圖。同寫周期時序波形圖一樣，圖中正確反映了命令狀態機在檢測到控制總線上讀命令后的狀態轉換過程，狀態轉換之間的延遲周期，每種狀態所對應的DRAM命令信號，系統地址和數據總線上的值，DRAM地址線和數據線上的值。通過一系列的狀態轉換，在狀態機cstate 轉換到1010數據輸出狀態（350 ns）時，存儲控制器將前面存入DRAM存儲單元中的數據00000009H，讀取出來并傳送到系統數據總線 sys_odata上。 4.2 FPGA綜合驗證 在QuartusⅡ環境中采用Altera的Stratix FPGA系列中的EPlS80對VIM-1嵌入式存儲控制器進行了綜合，下面是存儲控制器綜合結果。 5 結語 在PIM中嵌入向量處理邏輯的VIM系統結構，能充分發揮PIM高帶寬、低延遲、低功耗的特點，可以有效解決存儲性能瓶頸問題。基于VIM的嵌入式存儲控制器是VIM系統的方存控制部件，是影響系統性能的發揮的關鍵，本文實現的VIM-1嵌入式存儲控制器支持多種讀寫模式，具有嚴格的時序控制，每個存儲控制器對應單獨的存儲模塊，和VIM的存儲交叉開關接口，使得多個方存部件可以同時訪問多個存儲體，具有較強的研究和應用價值。
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