浅谈嵌入式DSP访问片外SDRAM的低功耗设计研究

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。

图1 开放的页策略和封闭的页策略的功耗比较

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。

图2 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：