DSP有限的片內存儲器容量往往使得設計人員感到捉襟見肘,，特別是在數(shù)字圖像處理,、語音處理等應用場合，需要有高速大容量存儲空間的強力支持,。因此,，需要外接存儲器來擴展DSP的存儲空間。
在基于DSP的嵌入式應用中,，存儲器系統(tǒng)逐漸成為功耗的主要來源,。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片，在讀寫時功耗最大可以到達924 mW,，而大部分DSP的內核功耗遠遠小于這個數(shù)值,。如TI的TMS320C55x系列的內核功耗僅僅為0.05 mW／MIPS。所以說,，優(yōu)化存儲系統(tǒng)的功耗是嵌入式DSP極其重要的設計目標,。本文主要以訪問外部SDRAM為例來說明降低外部存儲系統(tǒng)功耗的設計方法。
1 SDRAM功耗來源
SDRAM內部一般分為多個存儲體,，通過行,、列地址分時復用，系統(tǒng)地址總線對不同存儲體內不同頁面的具體存儲單元進行尋址,。SDRAM每個存儲體有2個狀態(tài),，即激活狀態(tài)和關閉狀態(tài)。在一次讀寫訪問完畢后,，維持存儲體激活狀態(tài)稱為開放的頁策略（open-page policy）,，頁面寄存器中保存已經打開的行地址，直到它不得不被關閉,，比如要執(zhí)行刷新命令等,；訪問完畢后關閉存儲體稱為封閉的頁策略（close-page pol-icy）,。
為了更好地決定選擇哪種策略,，需要熟悉SDRAM功耗的特點。SDRAM的功耗主要有3個來源：激活關閉存儲體,、讀寫和刷新,。在大部分程序中,，激活關閉存儲體引起的功耗占到訪存操作的總功耗的一半以上。圖1給出了對同一SDRAM行進行讀寫時,，采用開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較（假設激活關閉存儲體一次消耗功耗為1）,，經計算可知，若連續(xù)的幾個讀寫操作在同一行,，采用開放的頁策略可以節(jié)省功耗,。
圖1 開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較
根據(jù)上面對SDRAM功耗的特點的分析可知，盡量減少激活／關閉存儲體引起的附加功耗開銷,，是優(yōu)化SDRAM存儲系統(tǒng)功耗的根本,，另外不能忽視一直處于激活狀態(tài)的存儲體帶來的功耗。
2 訪問SDRAM的低功耗優(yōu)化設計方案
為更好的管理外部SDRAM,，大部分嵌入式DSP片上集成和外部存儲器的接口EMIF（External Memory Interface）,，DSP的片內設備通過EMIF訪問和管理存儲器。由EMIF將對同一行的讀寫盡量歸并到一起進行,，減少激活／關閉存儲體引起的附加功耗開銷,。圖2為基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設計方案的框圖。
圖2 基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設計方案的框圖
1）采用塊讀的方法取指令,。加入簡化的指令Cache（I-Cache）,，將對SDRAM的讀程序讀操作按塊進行。只有在Cache錯過時,，由Cache通過EMIF對SDRAM進行塊讀,，每次讀16個字節(jié)。
2）加入寫后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（WPB,，Write PoST Buffer）,，將數(shù)據(jù)總線上的請求發(fā)往WPB，由WPB對SDRAM進行塊寫,、讀寫歸并,。
3）動態(tài)監(jiān)測EMIF總線的利用率，塊讀和讀寫歸并時采用開放的頁策略,，當總線利用率較低時,，采用封閉的頁策略，當總線利用率很低時,，將SDRAM進入休眠模式,。
3 訪問SDRAM的低功耗設計
3.1 采用塊讀的I-Cache
對于程序總線的讀操作，根據(jù)程序的局部性原理,，下一次要取得指令和當前要取指的指令在空間上很可能相鄰,，因此對于讀程序采用塊讀的方法，每次讀一個塊,，而不是一個字,，并采用開放的頁策略,，因此對同一行的讀寫操作不需要額外的激活／關閉操作，可以較快的完成,。
當指令放在片外存儲器里時,，可以將CPU最近使用的指令放在I-Cache中，鑒于改善整個系統(tǒng)的性能和低功耗設計的需求,。DSP的I-Cache大小設計為8 KB,，包括2塊存儲器，其結構相同,，每一塊結構如下：
1）數(shù)據(jù)隊列,，每個隊列包含256行，每行16個字節(jié),。當I-Cache錯過時,，會采用最近最少使用算法（LRU）替換掉最長時間沒有使用的行。
2）行有效位隊列,，每行有一個行有效位,，一旦一行裝滿數(shù)據(jù)。就置位該行有效位,。
3）標簽隊列,，每一行有一個標簽域，表明該行的數(shù)據(jù)的起始地址,。當一行填滿,，相應的標簽將存到該行的標簽域中。
如果要取的指令字在I-Cache中（命中）,，I-Cache會直接將其送給DSP,。如果要取的指令字不在I-Cache中（錯過），I-Cache會通過EMIF從外部存儲器接口讀取4個32 b的代碼塊,。一旦這個指令字被讀到I-Cache中,，就送給CPU。
DSP有限的片內存儲器容量往往使得設計人員感到捉襟見肘,，特別是在數(shù)字圖像處理,、語音處理等應用場合，需要有高速大容量存儲空間的強力支持,。因此,，需要外接存儲器來擴展DSP的存儲空間。
在基于DSP的嵌入式應用中,，存儲器系統(tǒng)逐漸成為功耗的主要來源,。例如Micron公司的MT48LC2Mx32B2-5芯片，在讀寫時功耗最大可以到達924 mW，而大部分DSP的內核功耗遠遠小于這個數(shù)值,。如TI的TMS320C55x系列的內核功耗僅僅為0.05 mW／MIPS。所以說,，優(yōu)化存儲系統(tǒng)的功耗是嵌入式DSP極其重要的設計目標,。本文主要以訪問外部SDRAM為例來說明降低外部存儲系統(tǒng)功耗的設計方法。
1 SDRAM功耗來源
SDRAM內部一般分為多個存儲體,，通過行,、列地址分時復用，系統(tǒng)地址總線對不同存儲體內不同頁面的具體存儲單元進行尋址,。SDRAM每個存儲體有2個狀態(tài),，即激活狀態(tài)和關閉狀態(tài)。在一次讀寫訪問完畢后,，維持存儲體激活狀態(tài)稱為開放的頁策略（open-page policy）,，頁面寄存器中保存已經打開的行地址，直到它不得不被關閉,，比如要執(zhí)行刷新命令等,；訪問完畢后關閉存儲體稱為封閉的頁策略（close-page pol-icy）。
為了更好地決定選擇哪種策略,，需要熟悉SDRAM功耗的特點,。SDRAM的功耗主要有3個來源：激活關閉存儲體、讀寫和刷新,。在大部分程序中,，激活關閉存儲體引起的功耗占到訪存操作的總功耗的一半以上。圖1給出了對同一SDRAM行進行讀寫時,，采用開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較（假設激活關閉存儲體一次消耗功耗為1）,，經計算可知，若連續(xù)的幾個讀寫操作在同一行,，采用開放的頁策略可以節(jié)省功耗,。
圖1 開放的頁策略和封閉的頁策略的功耗比較
根據(jù)上面對SDRAM功耗的特點的分析可知，盡量減少激活／關閉存儲體引起的附加功耗開銷,，是優(yōu)化SDRAM存儲系統(tǒng)功耗的根本,，另外不能忽視一直處于激活狀態(tài)的存儲體帶來的功耗。
2 訪問SDRAM的低功耗優(yōu)化設計方案
為更好的管理外部SDRAM,，大部分嵌入式DSP片上集成和外部存儲器的接口EMIF（External Memory Interface）,，DSP的片內設備通過EMIF訪問和管理存儲器。由EMIF將對同一行的讀寫盡量歸并到一起進行,，減少激活／關閉存儲體引起的附加功耗開銷,。圖2為基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設計方案的框圖。
圖2 基于總線監(jiān)測的讀寫歸并設計方案的框圖
1）采用塊讀的方法取指令,。加入簡化的指令Cache（I-Cache）,，將對SDRAM的讀程序讀操作按塊進行,。只有在Cache錯過時，由Cache通過EMIF對SDRAM進行塊讀,，每次讀16個字節(jié),。
2）加入寫后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（WPB，Write PoST Buffer）,，將數(shù)據(jù)總線上的請求發(fā)往WPB,，由WPB對SDRAM進行塊寫、讀寫歸并,。
3）動態(tài)監(jiān)測EMIF總線的利用率,，塊讀和讀寫歸并時采用開放的頁策略，當總線利用率較低時,，采用封閉的頁策略,，當總線利用率很低時，將SDRAM進入休眠模式,。
3 訪問SDRAM的低功耗設計
3.1 采用塊讀的I-Cache
對于程序總線的讀操作,，根據(jù)程序的局部性原理，下一次要取得指令和當前要取指的指令在空間上很可能相鄰,，因此對于讀程序采用塊讀的方法,，每次讀一個塊，而不是一個字,，并采用開放的頁策略,，因此對同一行的讀寫操作不需要額外的激活／關閉操作，可以較快的完成,。
當指令放在片外存儲器里時,，可以將CPU最近使用的指令放在I-Cache中，鑒于改善整個系統(tǒng)的性能和低功耗設計的需求,。DSP的I-Cache大小設計為8 KB,，包括2塊存儲器，其結構相同,，每一塊結構如下：
1）數(shù)據(jù)隊列,，每個隊列包含256行，每行16個字節(jié),。當I-Cache錯過時,，會采用最近最少使用算法（LRU）替換掉最長時間沒有使用的行。
2）行有效位隊列,，每行有一個行有效位,，一旦一行裝滿數(shù)據(jù)。就置位該行有效位。
3）標簽隊列,，每一行有一個標簽域,，表明該行的數(shù)據(jù)的起始地址。當一行填滿,，相應的標簽將存到該行的標簽域中,。
如果要取的指令字在I-Cache中（命中），I-Cache會直接將其送給DSP,。如果要取的指令字不在I-Cache中（錯過）,，I-Cache會通過EMIF從外部存儲器接口讀取4個32 b的代碼塊,。一旦這個指令字被讀到I-Cache中,，就送給CPU。
3.2 寫后緩沖區(qū)的設計
數(shù)據(jù)在存儲器中的存放位置可能不像程序空間那么連續(xù),，而且數(shù)據(jù)空間有讀寫,，對數(shù)據(jù)空間讀寫SDRAM進行優(yōu)化的基本思想是，歸并對SDRAM同一行的讀寫操作,。具體來說,，包括歸并對同一行的多個讀操作、歸并對同一行的多個寫操作,，歸并對同一行的多個讀寫操作3種情況,，文獻提出了這種設計方法，其基本思想是：系統(tǒng)從預取緩沖區(qū)（FB,，F(xiàn)etch Buffer）中取數(shù)據(jù),；寫數(shù)據(jù)時，先寫到寫歸并緩沖區(qū)（WCB,，Write Combine Buffer）,；對在FB或WCB中的同一行的讀寫請求進行歸并。但此設計方法是針對有一級Cache的通用微處理器系統(tǒng),，過于復雜,，實現(xiàn)代價過高，不適合于本文研究的沒有一級數(shù)據(jù)Cache的DSP,，因此這里采用寫后緩沖區(qū)（Write Post Buffer）的方法,，具體設計方法如下：
1）在EMIF中設立一個寫后緩沖區(qū)，所有對SDRAM的讀寫請求均送到寫后緩沖區(qū),，寫后緩沖區(qū)立即給CPU響應,，CPU可以不用等待寫操作的結束而繼續(xù)執(zhí)行程序。
2）每當寫后緩沖區(qū)接受到一個新的寫請求后,，首先判斷寫后寄存器中是否存在和該寫操作在SDRAM同一行的寫操作,，若有，將這兩個寫操作歸并后同時向SDRAM進行寫。
3）當CPU讀數(shù)據(jù)時,，首先檢查寫后緩沖區(qū),，若存在要讀的數(shù)據(jù)，直接從寫后緩沖區(qū)讀數(shù)據(jù),；若不存在,，則從寫后緩沖區(qū)中挑選和當前讀操作在同一行的寫操作歸并后，對SDRAM進行讀,、寫操作,。
設計寫后緩沖區(qū)不僅可以提高程序的執(zhí)行效率，還可以節(jié)省功耗,。綜合考慮系統(tǒng)的性能與功耗要求,，這里DSP寫后緩沖區(qū)設計為8 KB，采用和I-Cache類似的結構,。
3.3 動態(tài)監(jiān)測總線利用率
SDRAM在所有的行都打開,，等待讀寫操作時的功耗是所有行都關閉時的2倍多，因此SDRAM為了低功耗的需要,，設計時都加入了休眠模式,。當對同一行有大量的讀寫時，又需要采用開放的頁策略,，維持這些行打開,。考慮到SDRAM的這些特點,，單獨采用開放的頁策略或封閉的頁策略是不合適的,，需要結合運用。動態(tài)監(jiān)測EMIF總線的利用率,，塊讀,、塊寫和讀寫歸并時采用開放的頁策略，當總線利用率較低時,，采用封閉的頁策略,，當總線利用率很低時，將SDRAM進入休眠模式,，需要時再澈活,。
以MT48LC2M32P2為例進行功耗估算，假設前后兩次訪問命中同一行的概率是90％,，當總線利用率（每個周期內總線被平均利用的次數(shù)）高于25％時,。采用開放的頁策略比采用封閉的頁策略節(jié)省功耗，當總線利用率在25％～20％之間時,，采用兩種策略差別不大,，維持當前采用的策略,，當總線利用率低于20％時，采用封閉的頁策略比采用開放的頁策略節(jié)省功耗,，當總線利用率低于10％時,，在采用封閉的頁策略的同時，每次訪問結束后都將SDRAM進入休眠模式,，比單純采用封閉的頁策略更節(jié)約功耗,。
文獻統(tǒng)計了通用處理器中不同程序的總線的利用率，如表1所示,?？梢姡瑢τ诓煌某绦?，總線利用率差別較大,。根據(jù)當前總線的利用率來決定采用何種策略訪問SDRAM是比較合適的。
表1
4 優(yōu)化后的EMIF的性能分析
對采用的總線監(jiān)測的讀寫歸并方案進行計算,，假設前后命中同一行的概率是90％,，根據(jù)Micron數(shù)據(jù)手冊計算,，歸并兩個寫操作功耗減少24％,，對不同的總線利用率的計算結果如圖3所示。
圖3 基于總線監(jiān)測的讀寫歸并方案功耗計算
5 結束語
在基于DSP的嵌入式應用系統(tǒng)中,，存儲系統(tǒng)的功耗占據(jù)系統(tǒng)功耗的大部分,。當外部存儲器采用SDRAM時，降低SDRAM的換行訪問可以節(jié)約大量的功耗,。本文設計的基于總線監(jiān)測的讀寫歸并方案,，不僅降低了外部存儲系統(tǒng)的功耗，而且可以在一定程度上提高存儲系統(tǒng)的性能,。加入的I-Cache可以使程序總線更快地讀指令,，加入的寫后緩沖區(qū)（WPB）可以使CPU不用等待緩慢的外部寫操作的結束而直接繼續(xù)執(zhí)行指令。