基于VIM的嵌入式存儲控制器的研究與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　隨著VLSI技術(shù)的迅猛發(fā)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(fā)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(tǒng)性能的瓶頸。眾多的研究者從微體系結(jié)構(gòu)出發(fā)，采取亂序執(zhí)行、多線程、預(yù)取、分支預(yù)測、推斷執(zhí)行等技術(shù)，或多級Cache的層次式存儲結(jié)構(gòu)來彌補(bǔ)微處理器與存儲器性能差距，但是這些技術(shù)存在多種問題：復(fù)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(chǎn)品的出現(xiàn)，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(jìn)一步拉大。如何才能真正消除存儲器性能瓶頸呢?PIM技術(shù)(Processing in Memory)，即把處理器和存儲器緊密集成到一塊芯片上，半導(dǎo)體制造工藝的進(jìn)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(fā)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(zhuǎn)換成片內(nèi)訪問延時遲)。以PIM技術(shù)為基礎(chǔ)，用向量部件作為協(xié)處理器構(gòu)成的Vector In Memory(VIM)體系結(jié)構(gòu)，可充分發(fā)揮PIM高帶寬、低延遲、低功耗的特點(diǎn)，開發(fā)數(shù)據(jù)級并行，是解決存儲系統(tǒng)性能瓶頸的有效途徑。本文具體闡述VIM體系結(jié)構(gòu)中影響存儲系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件嵌入式存儲控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　2 VIM體系結(jié)構(gòu)

　　VIM是一種面向流式數(shù)據(jù)處理的向量體系結(jié)構(gòu)，其微體系結(jié)構(gòu)的處理器部分由1個標(biāo)量核和1個向量協(xié)處理器構(gòu)成，嵌入式存儲控制器和存儲器構(gòu)成片上DRAM存儲系統(tǒng)，處理器部分和存儲系統(tǒng)之間由高速存儲交叉開關(guān)互連。VIM體系結(jié)構(gòu)最重要的特征就是向量處理器和嵌入式存儲器的結(jié)合。圖1中給出了VIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的典型框架結(jié)構(gòu)。

　　2.1 RISC標(biāo)量核

　　VIM標(biāo)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(biāo)量核包括整數(shù)部件、浮點(diǎn)部件，支持用戶態(tài)和超級用戶態(tài)(管態(tài))2種工作模式;主要功能是執(zhí)行標(biāo)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(biāo)量核與向量部件之間的數(shù)據(jù)傳遞，并與主機(jī)進(jìn)行通信完成取指、譯碼工作。

　　2.2 向量部件

　　向量部件作為標(biāo)量核的協(xié)處理器，執(zhí)行擴(kuò)展的向量指令，與標(biāo)量部件并行執(zhí)行。由向量指令隊(duì)列、向量控制器、向量核寄存器文件、向量Lane等部分構(gòu)成。向量指令隊(duì)列VIQ，為異步FIFO隊(duì)列。標(biāo)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(zhí)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(biāo)量寄存器文件、控制寄存器文件和標(biāo)志寄存器文件構(gòu)成，包括32個32位寄存器。向量Lane由并行的向量流水線構(gòu)成，包括完全流水的LSU，ALU，F(xiàn)PU等部件。每個Lane可以看成一條數(shù)據(jù)通路，完成對特定寬度數(shù)據(jù)的處理，多個Lane之間可以并行執(zhí)行。

　　2.3 嵌入式存儲系統(tǒng)及I/O

　　嵌入式存儲系統(tǒng)由存儲互連交叉開關(guān)、嵌人式存儲控制器和存儲器構(gòu)成，存儲互連交叉開關(guān)用于片內(nèi)運(yùn)算部件訪存時的地址翻譯、訪存指令的路由以及讀取數(shù)據(jù)的返回，其將標(biāo)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(diǎn)。嵌入式存儲控制器接收從存儲交叉開關(guān)傳送過來的訪存指令，實(shí)現(xiàn)對DRAM的數(shù)據(jù)存取。存儲器是由4個獨(dú)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(dú)立的存取控制接口，體內(nèi)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(zhí)行，并行對多個向量元素進(jìn)行操作，同時每個存儲體都對應(yīng)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(shí)現(xiàn)多個VIM節(jié)點(diǎn)間互連和掛接一些I/O設(shè)備。

　　嵌入式存儲控制器實(shí)現(xiàn)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(fù)等功能控制，支持4種突發(fā)讀寫模式、兩種行選延時選擇，具有嚴(yán)格的時序。下面將詳細(xì)闡述嵌入式存儲控制器的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)思想以及具體實(shí)現(xiàn)。

　　3 嵌入式存儲控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　3.1 嵌入式存儲控制器模塊結(jié)構(gòu)

　　存儲控制器是系統(tǒng)總線和DRAM之間的控制接口，在VIM的存儲系統(tǒng)中，嵌入式存儲控制器的作用就是將存儲交叉開關(guān)所傳輸過來的讀寫控制命令轉(zhuǎn)換成DRAM的控制信號實(shí)現(xiàn)對DRAM的讀寫、刷新等控制;將存儲交叉開關(guān)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?shù)紻RAM地址線上;以及控制數(shù)據(jù)總線和DRAM數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)輸入輸出。

　　實(shí)現(xiàn)VIM-1嵌入式存儲控制器，圖2所示為其模塊結(jié)構(gòu)，存儲控制器由主控制模塊、信號產(chǎn)生模塊、刷新模塊和數(shù)據(jù)通路構(gòu)成。

　　下面具體對每個模塊的功能進(jìn)行闡述：