嵌入式MIPS32 M4K處理器內(nèi)核SRAM接口應(yīng)用

在微控制器尺寸和成本的限制下，M4K內(nèi)核內(nèi)部不支持指令高速緩存(I-cache)或數(shù)據(jù)高速緩存(D-cache)的標(biāo)準(zhǔn)功能。本文重點(diǎn)討論的一個(gè)內(nèi)容--SRAM接口，這是MIPS32 M4K內(nèi)核的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能。

M4K內(nèi)核SRAM接口基本描述

M4K內(nèi)核SRAM接口是M4K內(nèi)核的通用高速存儲(chǔ)器接口。它可為指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器路徑提供低延遲接口，支持單周期和多周期存儲(chǔ)器存取。 必須指出，SRAM接口不能直接與外部存儲(chǔ)器件連接，若要實(shí)現(xiàn)外部存儲(chǔ)連接，需使用一個(gè)外部存儲(chǔ)控制器。必須使用固定映射表(FMT)和SRAM接口，以提供完整的存儲(chǔ)器控制邏輯。一種是置于CPU與主存間的高速緩存，它有兩種規(guī)格：一種是固定在主板上的高速緩存(Cache Memory );另一種是插在卡槽上的COAST(Cache On A Stick)擴(kuò)充用的高速緩存，另外在CMOS芯片1468l8的電路里，它的內(nèi)部也有較小容量的128字節(jié)SRAM，存儲(chǔ)我們所設(shè)置的配置數(shù)據(jù)。還有為了加速CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳送，自80486CPU起，在CPU的內(nèi)部也設(shè)計(jì)有高速緩存，故在Pentium CPU就有所謂的L1 Cache(一級(jí)高速緩存)和L2Cache(二級(jí)高速緩存)的名詞，一般L1 Cache是內(nèi)建在CPU的內(nèi)部，L2 Cache是設(shè)計(jì)在CPU的外部，但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同時(shí)設(shè)計(jì)在CPU的內(nèi)部，故Pentium Pro的體積較大。Pentium II又把L2 Cache移至CPU內(nèi)核之外的黑盒子里。SRAM顯然速度快，不需要刷新的操作，但是也有另外的缺點(diǎn)，就是價(jià)格高，體積大，所以在主板上還不能作為用量較大的主存。

雙模操作

SRAM接口的初始配置稱(chēng)為雙模。在這種模式下，指令和數(shù)據(jù)通道彼此隔離。數(shù)據(jù)有獨(dú)立的讀寫(xiě)總線(D-SRAM)，還有D-SRAM接口控制信號(hào)和一個(gè)獨(dú)立的指令側(cè)(I-SRAM)接口，以及其互補(bǔ)I-SRAM控制信號(hào)。

雙模有助于I-SRAM和D-SRAM接口的同步處理，消除任何可能出現(xiàn)在公用總線接口上的延遲，防止其減緩程序的執(zhí)行。在這個(gè)模式下，內(nèi)核可達(dá)到1.5 DMIPS/MHz的標(biāo)稱(chēng)性能。雙模結(jié)構(gòu)如圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)模式

標(biāo)準(zhǔn)模式是標(biāo)準(zhǔn)接口的一個(gè)配置選項(xiàng)，在這種模式下，為了節(jié)省必須從內(nèi)核發(fā)送的信號(hào)總數(shù)，I-SRAM和D-SRAM信號(hào)合并在一起。除了數(shù)據(jù)寫(xiě)總線外，D-SRAM接口是完全禁用的，所有數(shù)據(jù)讀周期都自動(dòng)改變方向，以使用I-SRAM讀總線。

在該模式中，內(nèi)核的平均性能大概是1.2 DMIPS/MHz。然而，由SRAM接口內(nèi)核暴露的活躍信號(hào)總數(shù)是122個(gè)，比雙模節(jié)省87個(gè)信號(hào)。減少接口使用的活躍信號(hào)數(shù)量，對(duì)于成本非常有限、總裸片面積比絕對(duì)性能更重要的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是一種更經(jīng)濟(jì)有效的方式。

SRAM接口標(biāo)準(zhǔn)模式如圖2所示。

處理中斷

SRAM接口提供了中止指令處理的能力，這種能力可中止M4K內(nèi)核5段流水線中任何指令處理。這有助于外部系統(tǒng)控制器立即響應(yīng)外部事件，如中斷請(qǐng)求或通過(guò)EJTAG調(diào)試接口請(qǐng)求。在處理典型微控制器應(yīng)用中高度確定性性質(zhì)時(shí)，快速響應(yīng)外部中斷事件至關(guān)重要。

對(duì)接口信號(hào)連接有限的器件提供支持

這個(gè)功能通常用于接口外設(shè)的總線鎖存和總線停止的組合，如ADC。該類(lèi)型的混合信號(hào)器件通常不提供32位位寬的接口。

總線鎖存和總線停止

SRAM接口提供輸入控制信號(hào)，在外部存儲(chǔ)控制器禁用這個(gè)信號(hào)之前鎖住數(shù)據(jù)總線，以防止CPU進(jìn)一步寫(xiě)處理。由此，可不用擔(dān)心多線程存儲(chǔ)周期的損害。 SRAM接口還提供控制信號(hào)，利于總線停止，使設(shè)計(jì)師將速度更慢的存儲(chǔ)器和外設(shè)連接到系統(tǒng)成為可能。這些器件可包括速度更慢的非易失性RAM和混合信號(hào)器件，在將請(qǐng)求的數(shù)據(jù)傳送到總線之前，它們需要更多的等待時(shí)間。

緩存關(guān)聯(lián)信號(hào)

雖然M4K內(nèi)核不包含任何高速緩存，但仍能指明出現(xiàn)在地址總線上的當(dāng)前存儲(chǔ)器地址是否可以進(jìn)行緩存。外部存儲(chǔ)控制器能夠利用這些狀態(tài)信號(hào)實(shí)現(xiàn)L2高速緩存結(jié)構(gòu)。

M4K SRAM接口在微控制器領(lǐng)域的應(yīng)用

利用上述這些功能，設(shè)計(jì)師們能夠?qū)τ谖⒖刂破飨到y(tǒng)環(huán)境中使用M4K SRAM接口的多種優(yōu)勢(shì)有所認(rèn)識(shí)。

首先，緊密耦合的接口意味著大多數(shù)處理任務(wù)是在單時(shí)鐘周期內(nèi)完成的。除非當(dāng)設(shè)計(jì)師執(zhí)行總線停止時(shí)，需要考慮速度較慢的存儲(chǔ)器件的完成周期。而且，連接到該接口的控制邏輯必須只能處理指令和數(shù)據(jù)，以使整個(gè)邏輯設(shè)計(jì)不那么復(fù)雜。另外，可能還要鎖住總線，使原子處理的完成能夠不受排隊(duì)周期的影響。SRAM指令執(zhí)行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329處理器內(nèi)部集成了32 KB的SRAM，本設(shè)計(jì)方案將充分利用處理器片內(nèi)SRAM來(lái)對(duì)解碼程序進(jìn)行優(yōu)化。首先對(duì)源代碼中的主要解碼函數(shù)進(jìn)行分析，如表1所列。可以看到驅(qū)動(dòng)寫(xiě)函數(shù) (write)、子帶綜合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正離散余弦變換(imdct_I)和快速離散余弦變換(fast_dct)對(duì)處理器資源消耗較大，幾乎占用80%的解碼時(shí)間。根據(jù)分析結(jié)果，分別把音頻驅(qū)動(dòng)程序和上述解碼函數(shù)放進(jìn)SRAM中執(zhí)行，以提高流媒體解碼器的執(zhí)行速度，降低其對(duì)處理器資源的消耗。

固定映射表(FMT)可減少外部存儲(chǔ)控制器所需的邏輯和解碼量。除了存儲(chǔ)器映像外設(shè)，以及對(duì)微控制器可用的存儲(chǔ)器件絕對(duì)尺寸外，有源區(qū)都在定義的邊界之內(nèi)。

在雙模操作下，指令提取路徑和數(shù)據(jù)讀/寫(xiě)路徑是獨(dú)立的。這些獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道有助于存儲(chǔ)控制器邏輯優(yōu)化存儲(chǔ)器件的類(lèi)型和尺寸。

中止流水線中，任何處理的能力都有助于在調(diào)試環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和精確的斷點(diǎn)控制。

基本上，L2緩存可以使用M4K內(nèi)核的本地信號(hào)執(zhí)行，從而簡(jiǎn)化L2緩存控制器。