摘 要： 詳細(xì)分析了S698P4 SoC芯片存儲(chǔ)器控制器的控制原理，并給出相應(yīng)設(shè)計(jì)方案和仿真結(jié)果。該控制器可在32 bit位寬模式下對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫控制。目前該處理器已實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，實(shí)際硬件測(cè)試驗(yàn)證了S698P4 SoC芯片存儲(chǔ)器控制器的高效性能。
關(guān)鍵詞： 存儲(chǔ)器控制器；S698P4；位寬模式；SPARC V8
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展以其設(shè)計(jì)工藝的不斷改進(jìn)提高，集成電路的設(shè)計(jì)規(guī)模越來越大，特別是進(jìn)入0.18 μm以下后，已經(jīng)可以在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)幾億個(gè)晶體管的設(shè)計(jì)規(guī)模。這樣規(guī)模的電路完全可以將一個(gè)完整的電子系統(tǒng)在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)[1]，于是便出現(xiàn)了所謂系統(tǒng)芯片SoC(System-on-Chip)。系統(tǒng)芯片把多種功能的系統(tǒng)(模塊)集成到一個(gè)芯片上，包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、內(nèi)存及其他電路模塊等，并相互構(gòu)成完整系統(tǒng)。同時(shí)，由于設(shè)計(jì)工藝的不斷提高，處理器可達(dá)到的工作頻率也越來越高，為了協(xié)調(diào)好外部存儲(chǔ)器(包括外部SRAM、ROM)和I/O等設(shè)備以及內(nèi)部存儲(chǔ)器(如片內(nèi)SRAM)與處理器的關(guān)系，必須要有高效的存儲(chǔ)器控制器對(duì)存儲(chǔ)器和CPU的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。高效的存儲(chǔ)器控制器對(duì)于處理器的整體性能發(fā)揮起著越來越重要的作用。
1 S698P4簡介
S698P4是基于SPARCV8架構(gòu)[2]的高性能的32 bit RISC嵌入式4核處理器，采用對(duì)稱多處理(SMP)技術(shù)，在一個(gè)內(nèi)核里集成4個(gè)功能一樣的處理器核心，各CPU之間共享內(nèi)存子系統(tǒng)及總線結(jié)構(gòu)，總線競(jìng)爭(zhēng)核仲裁由硬件自動(dòng)完成，不需要用戶進(jìn)行設(shè)置。它專為嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高性能、低復(fù)雜度和低功耗的特點(diǎn)。
S698P4支持多核并行處理機(jī)制，采用eCos實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。eCos將任務(wù)隊(duì)列對(duì)稱地分布于多個(gè)CPU之上，從而極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內(nèi)存、I/O和外部中斷。系統(tǒng)資源被系統(tǒng)中所有CPU共享，工作負(fù)載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上，其運(yùn)算速度快，數(shù)據(jù)處理量大、功耗低，性能和可靠性遠(yuǎn)高于單核處理器。
圖1為S698P4結(jié)構(gòu)圖，由圖可知，S698P4處理器內(nèi)部集成了CPU0、CPU1、CPU2和CPU3 4個(gè)S698P核，每個(gè)S698P CPU內(nèi)部又分別集成32 bit整形數(shù)處理單元、32/64 bit浮點(diǎn)數(shù)處理單元及8 KB數(shù)據(jù)緩存(Data Cache)和指令緩存(Instruction Cache)。針對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的嵌入式領(lǐng)域，S698P4提供了內(nèi)部看門狗、定時(shí)器、中斷控制器、通用I/O口以及串行通信接口；針對(duì)航空航天領(lǐng)域，S698P4提供了CAN總線接口、以太網(wǎng)接口以及1553B總線；同時(shí)，為了芯片調(diào)試，芯片內(nèi)部還集成了硬件調(diào)試專用接口DSU，用戶通過DSU，可以訪問CPU內(nèi)部所有寄存器和存儲(chǔ)器資源，也可訪問外部所有存儲(chǔ)器和I/O外設(shè)，為基于S698P4的硬件/軟件調(diào)試提供方便[3]。
S698P4處理器可廣泛應(yīng)用于航空航天、海量數(shù)據(jù)處理、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、復(fù)雜科學(xué)計(jì)算及大型圖形建模等領(lǐng)域。
2 S698P4存儲(chǔ)器控制器設(shè)計(jì)方案
2.1 存儲(chǔ)器地址分配
存儲(chǔ)器控制器控制一個(gè)連有PROM、I/O設(shè)備，靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)和動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)的存儲(chǔ)器總線，如圖2所示。存儲(chǔ)器控制器作為從屬設(shè)備掛在AHB總線上，存儲(chǔ)器控制器的運(yùn)作可通過軟件配置“存儲(chǔ)器配置寄存器1，2&3”(MCFG1，MCFG2 & MCFG3)來控制，表1為存儲(chǔ)器配置寄存器地址分配表。“存儲(chǔ)器配置寄存器1，2&3”的配置通過APB總線進(jìn)行。存儲(chǔ)器總線支持四種類型的設(shè)備，包括PROM、SRAM、SDRAM和I/O。PROM、SRAM和SDRAM總線只支持32 bit模式，而I/O可以根據(jù)需求配置為8、16、32 bit模式。存儲(chǔ)器控制器包括2 GB空間，分成如表2所列的幾個(gè)部分。
2.2 PROM
處理器提供兩個(gè)PROM片選信號(hào)ROMSN[1：0]。PROM的訪問和存儲(chǔ)器的訪問基本相似，其讀/寫周期時(shí)序如圖3和圖4所示。
2.3 靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)
SRAM區(qū)最高可達(dá)512 MB，具有5個(gè)存儲(chǔ)塊，每塊的大小在存儲(chǔ)器配置寄存器2的MCFG2[12：9]中設(shè)定，按照二進(jìn)制步進(jìn)算法，MCFG2[12：9]可設(shè)定為8 KB～256 MB。靜態(tài)存儲(chǔ)器讀訪問包括兩個(gè)數(shù)據(jù)周期和0~15個(gè)等待周期。在非連貫的訪問中，在一個(gè)讀周期后增加一個(gè)前導(dǎo)輸出的周期，可以阻止由于存儲(chǔ)器或者I/O設(shè)備的關(guān)閉時(shí)間引起的總線競(jìng)爭(zhēng)。圖5和圖6為基本的讀/寫周期波形(0等待周期)。
2.4 動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SDRAM)
動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器訪問支持兩塊PC100/PC133兼容的設(shè)備。動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器控制器帶有8~12個(gè)列地址位，并且有最高13行的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。通過MCFG2和MCFG3控制動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的操作。S698P4只支持32 bit的數(shù)據(jù)總線寬度，每個(gè)塊的大小可以編程在512 B~4 MB之間。為了對(duì)不同的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(在不同的頻率)提供最優(yōu)的訪問周期，一些動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的參數(shù)可以在MCFG2中設(shè)定。可設(shè)定的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器參數(shù)如表3所示。
3 S698P4存儲(chǔ)器控制器的實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證
S698P4采用VHDL語言進(jìn)行編寫，其編碼風(fēng)格同傳統(tǒng)以并發(fā)執(zhí)行[4-5]的并發(fā)進(jìn)程(或開發(fā)語句)作為模塊，即所謂的“數(shù)據(jù)流”編碼風(fēng)格不一樣，采用的是“二進(jìn)制”的設(shè)計(jì)方法。這種編碼風(fēng)格克服了“數(shù)據(jù)流”編碼方式的可讀性差、抽象級(jí)低、仿真時(shí)間長等缺點(diǎn)。“二進(jìn)制”編碼風(fēng)格的具體措施是：(1)所有的端口和信號(hào)聲明采用記錄的形式進(jìn)行說明，如按輸入輸出分類進(jìn)行記錄說明；(2)每個(gè)實(shí)體只有兩個(gè)進(jìn)程，即組合進(jìn)程和時(shí)序進(jìn)程；(3)在組合進(jìn)程中全部采用變量(而不是信號(hào))，以使用結(jié)構(gòu)化的順序編碼方式；(4)在時(shí)序進(jìn)程中通過時(shí)鐘同步進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
S698P4存儲(chǔ)器控制器代碼在Modelsim 6.2b上能夠通過功能仿真(其中外部SRAM讀寫控制仿真波形如圖9和圖10所示)，并且在Quartus II以及ISE EDA平臺(tái)上成功綜合布線，燒寫到FPGA后能夠通過硬件測(cè)試。
圖9和圖10為S698P4外部SRAM讀/寫控制波形圖。由圖9或圖10可知，S698P4存儲(chǔ)器控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)RAM片選ramsn、ROM片選romsn及I/O片選iosn輸出，sa為公用地址總線，此處沒有進(jìn)行配置，只用到單獨(dú)的address地址總線，對(duì)應(yīng)圖2的地址總線A。Data為數(shù)據(jù)總線，對(duì)應(yīng)圖2的數(shù)據(jù)總線D。ramoen為RAM輸出使能，oen為讀使能，其為低時(shí)，讀出數(shù)據(jù)。
目前，S698P4處理器已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)，在航空航天、工業(yè)控制等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。實(shí)踐證明，S698P4存儲(chǔ)器控制器能夠高效地對(duì)存儲(chǔ)器和CPU的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并在發(fā)揮處理器整體性能上起到很關(guān)鍵的作用。
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