嵌入式DSP访问片外SDRAM的低功耗设计研究

　　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。

　　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。

表1

　　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。

图3 基于总线监测的读写归并方案功耗计算

　　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。