MIPS32 M4K處理器內(nèi)核SRAM接口應(yīng)用

微控制器環(huán)境要求在盡可能小的封裝里實(shí)現(xiàn)最多的通用I／O。存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。但MIPS32 M4K內(nèi)核所具有的一些特點(diǎn)使其非常適用于微控制器應(yīng)用領(lǐng)域。這就涉及到本文重點(diǎn)討論的一個內(nèi)容--SRAM接口，這是MIPS32 M4K內(nèi)核的一個標(biāo)準(zhǔn)功能。

微控制器應(yīng)用需要僅用最少的接口邏輯就可以在處理器內(nèi)核和存儲系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)緊密耦合。MIPS32M4K內(nèi)核SRAM接口就是一個比較完美的解決方案。

M4K內(nèi)核SRAM接口基本描述

M4K內(nèi)核SRAM接口是M4K內(nèi)核的通用高速存儲器接口。它可為指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器路徑提供低延遲接口，支持單周期和多周期存儲器存取。 必須指出，SRAM接口不能直接與外部存儲器件連接，若要實(shí)現(xiàn)外部存儲連接，需使用一個外部存儲控制器。必須使用固定映射表(FMT)和SRAM接口，以提供完整的存儲器控制邏輯。

雙模操作

SRAM接口的初始配置稱為雙模。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)立的讀寫總線(D-SRAM)，還有D-SRAM接口控制信號和一個獨(dú)立的指令側(cè)(I-SRAM)接口，以及其互補(bǔ)I-SRAM控制信號。

I-SRAM接口具有改變信號輸入方向的能力，需要時(shí)，可將D-SRAM讀周期改變到I側(cè)方向。這有助于改良的Harvard架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，和非易失性數(shù)據(jù)在程序存儲器中的存儲。

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。在這個模式下，內(nèi)核可達(dá)到1.5 DMIPS／MHz的標(biāo)稱性能。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)送的信號總數(shù)，I-SRAM和D-SRAM信號合并在一起。除了數(shù)據(jù)寫總線外，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)核暴露的活躍信號總數(shù)是122個，比雙模節(jié)省87個信號。減少接口使用的活躍信號數(shù)量，對于成本非常有限、總裸片面積比絕對性能更重要的設(shè)計(jì)來說，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，如中斷請求或通過EJTAG調(diào)試接口請求。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。

對接口信號連接有限的器件提供支持

M4K處理器內(nèi)核可通過特定字節(jié)通道，對接口信號連接有限的存儲器件接口的能力進(jìn)行控制，可幫助M4K內(nèi)核以連續(xù)字節(jié)讀取匯編32位字，然后在SRAM接口中進(jìn)行內(nèi)部匯編。

這個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。該類型的混合信號器件通常不提供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，在外部存儲控制器禁用這個信號之前鎖住數(shù)據(jù)總線，以防止CPU進(jìn)一步寫處理。由此，可不用擔(dān)心多線程存儲周期的損害。SRAM接口還提供控制信號，利于總線停止，使設(shè)計(jì)師將速度更慢的存儲器和外設(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和混合信號器件，在將請求的數(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

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)前存儲器地址是否可以進(jìn)行緩存。外部存儲控制器能夠利用這些狀態(tài)信號實(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)勢有所認(rèn)識。

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。

固定映射表(FMT)可減少外部存儲控制器所需的邏輯和解碼量。除了存儲器映像外設(shè)，以及對微控制器可用的存儲器件絕對尺寸外，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／寫路徑是獨(dú)立的。這些獨(dú)立的數(shù)據(jù)通道有助于存儲控制器邏輯優(yōu)化存儲器件的類型和尺寸。

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)核的本地信號執(zhí)行，從而簡化L2緩存控制器。

MIPS32M4K內(nèi)核SRAM接口為M4K內(nèi)核提供了一種高速、易于使用和高度可配置的存儲器接口。除了指令和數(shù)據(jù)存儲器，它不包含額外的開銷，如處理任何情況的協(xié)議或信號等，有助于芯片設(shè)計(jì)師用極少的外部邏輯實(shí)現(xiàn)M4K內(nèi)核的最大性能。最終，這種能力代表著以最低的成本實(shí)現(xiàn)更高性能的微控制器系統(tǒng)。