（微电子学与固体电子学专业论文）面向嵌入式系统的soc存储子系统的功耗优化.pdf

摘 要 摘要 随着嵌入式技术的广泛应用，便携式设备在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，这些设 备往往对功耗有着严格的要求，功率消耗极大地影响了产品的尺寸、重量以及正常运行时问，这些因素 决定了产品的市场竞争力。因此对嵌入式系统的低功耗研究一直以来都是嵌入式设计中的一个重要课 题。存储子系统是嵌入式系统中能量消耗的主要因素之一，降低它的功耗可以有效地降低整个系统功耗。 其中s d r a m 是目前嵌入式系统中使用最为广泛的存储器，它本身提供了多种功率消耗的操作模式，通 过动态管理s d r a m 的操作模式，可以有效地降低存储系统的功率消耗。 本文简要说明了s d r a m 的操作过程及其性能特点，解释了选择s d r a m 进行功耗优化的原因。 文中以g a r f i e l d 系统芯片作为实验平台，简单介绍了其外部存储器接口的设计架构，指出在此基础上进 行功耗优化的实现方法加入预测电路，通过动态管理s d r a m 的操作模式米获得功耗收益。文中详 细说明了作者选择的三种预测电路在系统中的实现方法和工作流程，在r t l 实现的基础上，以 m i b e n c h 标准测试程序为例，对比了g a r f i e l d 系统在三种预测电路下的优化结果，选择了其中的最优 电路作为g a r f i e l d 存储子系统功耗优化的最终方案。采用预测电路的优化方式可以获得明显的功耗收 益，测试结果中在打开c a c h e 单元的条件下，采用预测电路的控制器可以以小于2 的性能损耗在相同 测试程序下减少s d r a m 高达5 8 的功率消耗。 最后，分析了本文中采用的功耗评估方法存在的不足之处，提出了本课题的研究前景。 关键词：s d r a m 预测电路功耗优化 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , p o r t a b l ed e v i c e sa r ep l a y i n ga l li n c r e a s i n g l y i m p o r t a n tr o l e i np e o p l e sd a i l yl i f e ，w h i c ho f t e nh a ss t r i c tr e q u i r e m e n t so f t h es y s t e m t h ep o w e rc o n s u m p t i o n g r e a t l ya f f e c t st h ep r o d u c t ss i z e ，w e i g h ta n dt h en o r m a lo p e r a t i o nt i m e t h e s ef a c t o r sd e t e r m i n et h ep r o d u c t s m a r k e tc o m p e t i t i v e n e s s t h u ss t u d i e so fl o w - p o w e re m b e d d e ds y s t e mh a v ea l w a y sb e e na ni m p o r t a n tt o p i ci n e m b e d d e ds y s t e md e s i g n t h em e m o r ys u b s y s t e mi so n eo ft h em a i nf a c t o r si ne n e r g yc o n s u m p t i o n ，t h u s r e d u c i n gt h ee n c l g yc o n s u m p t i o no ft h es t o r a g es u b s y s t e mb , o m ee f f e c t i v ei np o w e ro p t i m i z a t i o no ft h e e n t i r es y s t e m s d r a mh a sb e c o m et h em o s tw i d e l yu s e dm e m o r yi ne m b e d d e ds y s t e m s d r a mi t s e l f p r o v i d e saw i d er a n g eo fd i f f e r e n tp o w e rc o n s u m p t i o nm o d eo fo p e r a t i o n ，d y n a m i cm a n a g e m e n to ft h e s e o p e r a t i o nm o d e so f t h es t o r a g es y s t e mc a nb ee f f e c t i v ei nr e d u c i n gp o w e rc o n s u m p t i o n i nt h i sp a p e r , t h ea u t h o rd e t a i l st h eo p e r a t i o na n dp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fs d r a ma n de x p l a i n st h e r e a s o n st ot h ec h o i c eo fs d r a mf o rp o w e ro p t i m i z a t i o n t h ea u t h o rc h o o s e sg a r f i e l ds o ca se x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，b r i e f l yi n t r o d u c e si t ss t r u c t u r eo fe x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c et h e ne x p l a i n st h em e t h o do fp o w e r o p t i m i z a t i o n - - a d d i n gp r e d i c t i o nc i r c u i t t h r o u g ht h eu s eo fd y n a m i cm a n a g e m e n to fo p e r a t i o nm o d et o o b t a i np o w e rr e c e i p t s i nt h ep a p e r , t h ea u t h o re l a b o r a t e st h er e a l i z a t i o na n dt h ew o r kf l o wo ft h et h r e e p r e d i c t i o nc i r c u i ti nt h es y s t e m b a s e do nr t li m p l e m e n t a t i o n ，t h ea u t h o ru s e ss t a n d a r dt e s t i n gp r o c e d u r e s m i b e n c ha st e s tc o d e ，c o m p a r i n gt h et h r e eo p t i m i z a t i o nr e s u l ta f t e ra d d i n gt h ep r e d i c t i o nc i r c u i t ，f i n a l l y c h o o s e st h eo p t i m a lp r e d i c t i o nc i r c u i ta st h eu l t i m a t ep o w e ro p t i m i z a t i o np r o g r a mf o rg a r f i e l d ss t o r a g e s u b s y s t e m u s i n gt h i so p t i m a lm e t h o dc a na c h i e v es i g n i f i c a n tp o w e rr e c e i p t s ，u n d e rt h et e s tc o n d i t i o n sw h e n t h ec a c h em o d u l ew a so p e n e d ，t h ec o n t r o l l e rc i r c u i tu s e dt h ep r e d i c t o rc a nr e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o na s m u c ha s5 8 w i t hl e s st h a n2 p e r f o r m a n c el o s s f i n a l l y , t h ea u t h o ra n a l y z e st h es h o r t f a l l so ft h em e t h o d su s e dt oa s s e s st h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，p u t s f o r w a r dt h ep r o s p e c t so f t h i sr e s e a r c ht o p i c k e yw o r d ：s d r a m 、p r e d i c t i o nc i r c u i t 、p o w e ro p t i m i z a t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所里交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, l j l l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：盎生日期：区盟兰：立矿 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查询和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学 研究生院办理。 研究生签名：丛生导师签名： 幽b 日期：童咀墨：丝 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 随着现代制造工艺和设计能力的不断进步，微电子技术和计算机技术的迅猛发展，系统芯片s o c 已成为集成电路发展中的新焦点，不断涌现出大量功能强大且价格低廉的s o c 芯片，使得嵌入式设 备也具有了前所未有的强大处理能力，越来越广泛地应用予人们日常生活的方方面面。嵌入式系统 多用于便携式和移动性较强的产品中，而这些产品不是一直都有充足的电源供应。往往靠电池来供 电，产品功率消耗的多少极大程度上影响了它的尺寸、重量以及正常运行时间。虽然现代电池技术 不断提高，单位体积的电池容量以每年1 0 的速度提升，但是和半导体产业飞速发展的需求相比， 仍然显得过于缓慢，同时考虑到产品便携性的冈素，这些产品也不可能采用过大容量的电池作为电 源。产品的轻、薄、短、小、长时间运行的能力往往直接代表了产品的市场竞争力，所以应从每一 个细节来考虑降低功率消耗，以适应嵌入式系统市场开发的客观要求。 当前大量研究表明，在嵌入式系统中，处理器在总能耗预算中占的比率非常有限，而存储子系 统则是基于r i s c 核的系统中能量消耗的主要因素 2 - 4 。因此降低存储子系统的能耗成为有效降低整 个系统能耗的关键因素之一。还有研究表明”6 j ，在面向影像，视频的应用中，能耗的主要来源不在 于数据通路和控制器，而是对存储器的频繁访问，其中片外存储器成为能耗的主要消费者。在实时 信号处理领域的嵌入式应用中，5 0 8 0 的能耗是由专用a s i c 和片外存储器之间访问造成的。本 文针对片外存储器能耗过高的问题，对片外存储设备控制器进行设计优化，在保证高性能的同时， 降低片外存储器的功耗。 目前对嵌入式系统的低功耗设计技术的研究主要分为两类：静态技术和动态技术”。静态技术 是指从系统构造、工作原理方面入手，如尽量采用低功耗器件，采用异步电路体系设计等。而动态 设计技术是指通过改变系统运行行为来达到降低系统功耗的目的，如在系统工作过程中，根据运行 状况将器件从工作状态转入休眠状态，而减少不必要的能量消耗。 在嵌入式系统中，s d r a m 往往作为主存储器，用于系统的程序运行，数据存放。随着工艺水 平的进步，目前s d r a m 器件本身的功耗也已有了大幅的减小睁9 】口”，同时提供了不同功耗水平下 的操作模式，这些操作模式为设计存储器接口时考虑功耗的优化提供了可能性”】。本论文就是以 s d r a m 的多种操作模式为基础，采用硬件的方法监控s d r a m 的工作状态，随着系统不同的操作 状态动态地调整s d r a m 的工作模式，来优化存储器的功率消耗，从而降低整系统的功耗。 1 2 论文的工作 本论文的主要贡献是选择一种最优的动态监控电路，用于预测s d r a m 的工作状态，适时地自 动切换其工作模式，以达到在保证系统性能的前提下，获得外部存储设备的最低功率消耗的控制， 从而降低系统的整体功率消耗。 论文的具体工作如下： 1 列举s d r a m 的基本操作命令以及工作特性，分析存储设备在各个工作模式下的功率消 耗，以及各个模式相互间的转换关系，在此基础上说明基于s d r a m 模式转换而进行功耗 东南大学硕士学位论文 2 4 优化存在的可能性。 介绍作为实验平台的g a r f i e l ds o c 芯片，重点针对其外部存储器接口( e m i ) 部分，分析 s d r a m 控制器在模式切换上目前的电路实现方式，由此指出动态控制电路在当前外部存 储器接口中实现的方案。 列举目前动态监测s d r a mi 作模式而达到功耗优化目的的三种预测电路结构，分析其各 自的性能特点、预测原理及工作流程，选取适合的形式整合进g a 币e l ds o c 的实验平台， 以r t l 形式分别实现三种电路。 在g a r f i e l d 的实验平台上，分析功耗评估中需要注意的影响因素，主要是针对两点要素进 行分析，一是优化结构后获得的功耗收益，二是优化结构后在总线访问存储器时所出现的 性能损耗，通过标准测试程序的仿真来逐一比较三种电路结构功耗优化的结果，对比性能 与功耗两方面的测试数据，选择最佳的优化结构来作为g a r f i e l d 系统芯片存储子系统功耗 优化的最终实现方案。 1 3 论文的结构 本论文一共分为5 个章节，具体架构安排如下： 第一章为前言部分，介绍本论文总体的研究背景、目的以及具体工作的安排。第二章s d r a m 特性介绍主要介绍s d r a m 的操作特性，分析低功耗研究的背景知识。第三章实验平台的构建主 要介绍g a r f i e l d 实验平台以及选择的功耗控制电路在平台中的实现方法。第四章功耗评估通过标准 程序的测试给出评估结果，选择最优方案。第五章总结与展望总结本文通过硬件电路动态管理 s d r a m 的模式切换，来实现外部存储器功耗优化的方法，提出对未来工作的展望。 2 第二章s d r a m 的特性介绍 第二章s d r a m 的特性介绍 在嵌入式系统中，控制芯片的操作需要一定容量的存储器，用于程序的运行和数据的存放，片 内存储器由于受到器件规模和生产成本的限制，在系统开发时通常选用外部存储设备作为扩展， s d r a m 以其高速度、大容量、低成本的特性而被广泛的应用”。同时由于s d r a m 操作的复杂性， 给存储器的设计优化带来很大的困难。本章主要介绍s d r a m 的操作特性、工作模式，为后续章节 介绍基于s d r a m 工作模式的功耗优化方法，以及在g a r f i e l d 实验平台中整合预测电路的结构作准 备。 2 1 s d r a m 的简介 s d r a m 即s y n c h r o n o u sd r a m ( 同步动态随机存储器) ，它的t 作速度和系统总线速度同步， s d r a m 内存往往义分为p c 6 6 、p c i 0 0 、p c i 3 3 等不同规格，代表着最大所能正常工作的系统总线 速度。 s d r a m 的广泛应用和它自身的众多性能特点是分不开的，其最大的特点是不同于一般的 d r a m ，存储器的操作完全同步，所有的接口信号都在外部时钟的有效沿触发下才可以正常工作。 其次是同大多数d r a m 一样，动态存储器需要通过不断地刷新来保持数据的稳定存储，s d r a m 一 般提供自动刷新( a u t o ! f r e s h ) 和自刷新( s e l fr e f r e s h ) 两种模式。另外s d r a m 的读写 不同于s r a m ，对于单个的数据而言，它不能在单个周期内完成存取，需要一定的延迟才能完成， 但它内部通过流水线的方式，使得在访问同一个b a n k 同一行的数据时，列地址( c o l u m na d d r e s s ) 可以随着时钟周期性的变化，在第一个数据后，后续的数据都可以实现单周期存取。读写操作的实 现是以接口信号组合形成的命令来进行访问，而访问通常使用可编程的猝发( b u r s ta c c e s s ) 模式， 一次命令的操作后可以连续读写若干个数目单元的数据，这个数目根据s d r a m 型号而不一样，往 往支持1 、2 、4 、8 等不同的猝发k 度，具体参数可以由s d r a m 的配置寄存器来决定。单个s d r a m 芯片往往组织成多个b a n k 形式的结构，通过地址映射的方式，连续操作的数据可以存放在不同的 b a n k 中，用于避免数据在跨越列地址边界以及预充电时造成的延迟导致对系统性能的影响。 s d r a m 的制造商众多，包括s a m s u n g 、m i c r o n 、h y n i x 等半导体厂商，各个厂商的同类产品在 管脚分配、封装模式上都保持一致，性能参数上也较为类似，本文以美光半导体公司( m i c r o n t e c h n o l o g y ) 5 1 2 m b 的m t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 为例，参照产品的说明文档，具体说明上文中列举的若干 特点，以及详细的操作过程。 2 2 m i c r o ns d r a m 的概述 m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 是一款基于c m o s 工艺的高速动态随机访问存储器，容量为 5 1 2 m b ( 5 3 6 8 7 0 9 1 2 - b i t s ) ，组织为四个b a n k 的结构，每个b a n k 包括8 1 9 2 行( r o w ) ，1 0 2 4 列( c o l u m n ) ， 8 1 9 2 x1 0 2 4 x1 6 共1 3 4 ，2 1 7 ，7 2 8 - b i m 9 2 1 。 存取方式采用的猝发模式( b u r s ta c c e s s ) ，每次存取可以是若干个数目的数据，这个数目是2 的指数，1 、2 、4 、8 和全页( f u l lp a g e ) 的模式，其中全页模式读取时需要一个终止命令来完成操 3 东南大学硕士学位论文 作。要开始执行一次存取时，首先会选定一个起始位置，这个起始位置是由系统总线提供给s d r a m 的控制器，再由s d r a m 的控制器传送到s d r a m 。 2 2 1 s d r a m 结构框图 图2 1s d r a m 的内部结构图 图2 - 1 是s d r a m 的内部结构图，可以清楚的看到，上图中央四个b a n k 重叠的存储矩阵，行、 列地址分别完成锁存和译码，读写数据由两条路径分别送到数据总线( d q l 5 0 ) 上：读取数据通 过灵敏放大电路送到输出锁存寄存器，再由寄存器送到总线上；总线写入数据输入锁存寄存器送到 存储器矩阵。数据单元的选择是行、列的地址译码以及b a n k 地址译码的共同结果。另外1 6 位宽的 数据可以通过d q m h 、d q m l 的信号对高低字节有选择的存取。左上角的模块是存储器的控制逻 辑电路，存储器依据控制电路的结果来改变s d r a m 的读写操作，控制电路主要对输入信号组合的 命令进行解析以及对模式寄存器的值作出反应，控制结果由命令以及模式寄存器的存储值共同决 定。 2 2 2 s d r a m 的引脚说明 s d r a m 的引脚分配会因为选择的封装类型不同以及存储器数据宽度的不同而不同，例如同样 1 6 位数据宽度的存储器可能选择5 4 - p i n 的t s o p 封装，也可能选择6 0 - b a l l 的f b g a 封装；4 、8 、 1 6 位宽的存储器在t s o p 封装下需要5 4 个引脚，而3 2 位位宽的存储器在同样的t s o p 封装下需要 4 第二章s d r a m 的特性介绍 8 6 个引脚。尽管引脚分配可能会出现一些小小的差异，但是引脚的信号分类始终是统一的，表2 - 1 列出s d r a m 的主要引脚类型： 表2 - 1s d r a m 引脚说n ) j e 2 2 l 豳引脚名称凝飘蓥翌强礴强臻麟秘骥飘 引月到t 昆明缀豳嬲圈霭隧凰 c l k 端口是由系统时钟驱动，所有的输入信号都在 c l k 的上升沿被有效采样。存储器内部用于猝发模 c l k i n p u t 式的计数器也在c l k 的驱动下递增，并且控制着输 出寄存器。 时钟使能信号：c k e 在高电平时c l k 信号有效，低 电平时c l k 信号无效。在p o w e r d o w n 和s e l f r e f r e s h 的情况下使时钟无效，也用作唤醒 p o w e r - d o w n 以及使能其他依赖于时钟信号的操 作。信号c k e 在除了p o w e r d o w n 和s e l f c k e i n p u t r e f r e s h 的情况f 是异步的，其余情形下都是同步 信号。输入缓冲以及c l k 信号在p o w e r d o w n 和s e l fr e f r e s h 的情况下都是无效的，这种待机 状态为s d r a m 提供了很低的功率消耗。一般情形 下c k e 是需要保持高电平的。 c s 捍 i n p u t 片选使能信号：片选信号决定了命令译码器是否工 作。在高电平下，输入的所有的命令都被屏蔽而无 效。因此c s 信号作为命令编码的信号之一。 r a s 拌c a s 群w e 撑 i n p u t r a s 、c a s 、w e 信号以及c s 信号作为s d r a m 的 命令输入。 d q m ld q m hi n p u t数据输入输出的屏蔽信号：d q m l 控制1 6 b i t 数据的 低八位，d q m h 控制1 6 b i t 数据的高八位。当d q m 有效( 低电平) 时，对应位选的数据可以被写入或 读出。 b a 0 b a l i n p u t b a n k 地址的选择信号：b a 0 和b a i 决定了进行 a c t i v e ，r e a d ，w r i t e 或者p r e c h a r g e 等命 令操作的当前b a n k 。 a 0 a 1 2 i n p u t 地址输入信号：a 0 a 1 2 在a c t i v e 命令时有效，作 为行地址输入，a 0 a 9 在r e a d 或者w r i t e 命令时 有效作为列地址，同时a 1 0 作为是否进行自动预充 电的选择信号。a 1 0 在预充电的命令时决定是对选 中的b a n k 进行预充电还是对所有的b a n k 都进行预 充电。在对模式寄存器进行配置时，该信号作为输 入的配置值。 d q 0 一d q l 5 m 数据输入输出端口 v d d s u p p l y 电源信号：提供+ 3 3 v ：t o 3 v 电源 v d d qs u p p l y 数据总线的电源信号，用于降低噪声干扰 v s s s u p p l y 地信号 v s s qs u p p l y 数据总线的地信号，用于降低噪声干扰 5 东南大学硕士学位论文 2 2 3 s d r a m 的功能介绍 对s d r a m 的访问首先需要一个a c t i v e 的命令，打开一个b a n k 中的新行，接着发出r e a d 或者w r i t e 的命令用于数据存取。s d r a m 的行列地址也分别在这两个命令的过程中送到存储器 中，其中行地址以及b a n k 地址在a c t i v e 命令中发出，猝发模式中的第一个列地址在r e a d 或者 w r i t e 命令中发出。在所有的正常操作之前，s d r a m 需要经过一个初始化的过程。这个小节的内 容将具体的描述初始化、模式寄存器定义、命令操作的过程。 2 2 31 初始化过程 s d r a m 必须按照预定的规范进行上电和初始化操作。不规范的操作会导致其他非定义的操作 出现。在对v d d 和v o d q 引脚进行供电并且时钟信号稳定了之后，s d r a m 依然不能进行正常的 操作，需要延迟1 0 0 u s ，在这l o o u s 内，s d r a m 只能接受i n h i b i t 和n o p 两条命令，其余的命令 是不允许出现的，并且在这段期间，要确保向s d r a m 发出一个i n h i b i t 或者n o p 命令。 s d r a m 在满足了1 0 0 u s 时间的延迟后，如果满足至少有一条i n h i b i t 或者n o p 的命令得到响 应的条件，控制器可以继续发出一条p r e c h a r g e ( 预充电) 命令，以保证所有的b a n k 都实现了 预充电，所有的状态都被置为i d l e ( 空闲) 状态。 s d r a m 在进入i d l e ( 空闲) 状态后，必须先经过两个a u t o r e f r e s h ( 自动刷新) 周期。 在a u t or e f r e s h ( 自动刷新) 周期完成之后，s d r a m 需要对模式寄存器进行设置。因为模式寄 存器在上电之后还处在不定态下，所有的值都还不确定，需要在正常操作前，对它进行合适的配置 以满足需要的操作。 上述的操作正是m i c r o n 公司m t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 进行初始化的具体过程，是正常操作前的基本 步骤，从而驱使s d r a m 进入符合操作需求的空闲状态。 2 2 3 2 模式寄存器定义 模式寄存器_ j 来定义s d r a m 操作的专用模式，这些定义包括猝发长度的选择，猝发模式的类 型，c a s 延时大小，操作模式和猝发写模式，具体分配如表2 - 2 、2 - 3 、2 _ 4 、2 5 ，2 - 6 所示。 表2 - 2 模式寄存器定义 表2 - 3m 9 猝发写模式定义 表2 4m 3 猝发类型定义 6 一 第二章s d r a m 的特性介绍 表2 - 5c a sl a t e n c y 定义 表2 - 6 猝发长度定义 蒸鬻嚣麓懑缫遴鍪溺羹黧黼缫灏黼麓鬻戮然戮缓隅戮瀵篷 o001l ool22 o1044 01188 100r e s e r v e dr e s e r v e d 10lr e s e r v e dr e s e r v e d llor e s e r v e dr e s e l v e d ll lf u l lp a g er e s e r v e d 模式寄存器中m 1 2 m 0 分别对应地址位的a 1 2 a 0 。其中a 0 - a 2 表示猝发长度，a 3 表示猝发类 型( 连续的或者交叉存取的) ，a 4 a 6 表示c a s 延时，a 7 和a 8 表示操作模式，a 9 表示猝发写模 式，a 1 0 和a l l 保留定义用作以后的扩展，a 1 2 也未定义，但是需要写“0 ”置低。 模式寄存器的配置需要在所有的b a n k 都处于i d l e 状态，并且存储器控制器需要严格按照初始 化的要求，在一定延时完成后才能进行配置的操作，否则会因为未定义的操作而出现错误。 2 2 3 3 s d r a m 命令解析 s d r a m 的操作是通过命令来实现数据的存取以及刷新保持，需要对s d r a m 进行控制，并对 其操作模式作出分析优化，首先需要对s d r a m 的操作命令做详细的分析。下表2 - 7 列出s d r a m 的各条命令，下文中给出具体的解析： 表2 7s d r a m 命令解析 缓粼燃缫缫黝缀鬟攀鬻攀缀鳓溺隧辫鬻缀麓嚣溺戮缫獬 c o m m a n di n h i b i thxxxx n oo p e r a t i o nlh hh x a c t i v ellhhb a n “r o w r e a d l h lh b a l l l c c o l w r i t e lhll b a n k c o l b u r s tt e r m i n j 蛆elhhlx p r e c h a r g el l hl c o d e r e f r e s hlllh x l o a dm o d er e g i s t e rlll l o p c o d e 7 东南大学硕士学位论文 1 c o m m a n di n h i b l l c o m m a n di n h i b i t 的功能是禁止s d r a m 执行新的命令，在此期间s d r a m 处于未选 中的状态，它的状态不受c l k 信号是否有效的影响。在此命令前执行的操作也并不受到 影响，继续执行。 2 n oo p e r a t l 0 n n o p 命令用来对一个选中的( 此时c s # 片选信号为低) s d r a m 进行空操作。空操作命令 是_ l j 于防止s d r a m 在空闲或者等待的状态下有不必要的命令进入命令寄存器，而影响正 在操作中的命令。 3 l o a dm o d er e g i s t e r 模式寄存器的设置是通过输入信号a 0 - a 1 2 。可以参考上文模式寄存器定义的介绍部分。 l o a dm o d er e g i s t e r 命令只有在所有的b a n k 都处于空闲状态才能有效，之后需要执 行的命令也必须在满足了一定的延迟时间条件下才可以执行操作。 4 a c t i v e a c t i v e 命令用米打开某一b a n k 中的某一行，在访问该行数据之前，使该行数据有效。 在输入命令的同时，输入信号b a 0 ，b a l 的值用于选择b a n k ，输入信号a 0 - a 1 1 用于选 择行。a c t i v e 命令有效后，这一行一直保持着访问有效状态，直到对这个b a n k 发出 p r e c h a r g e 命令。访问一个b a n k 中不同行之前，必须要执行一次p r e c h a r g e 命令。 5 r e a d 在需要对一个已经激活( a c t i v e ) 的行进行猝发访问时，控制器发出r e a d 命令进行初 始化。输入信号b a 0 ，b a l 用来选择b a n k ，a 0 - a 9 上的地址确定了起始列地址。输入信 号a 1 0 的值决定了是否使用自动预充电功能。如果选择了自动预充电功能，被访问的这 一行将会在读取数据完成后进行预充电；如果自动预充电功能没有选择，那么这行将会保 持被激活的状态，还可以继续进行访问。读数据出现在d q s 总线上，并和d q m 信号有关。 如果相应的d q m 信号是高电平，则相关的d q s 在两个时钟周期后将会保持高阻；如果 d q m 信号是低电平，相应的d q s 将提供正确有效的数据。 6 w r l t e w r i t e 命令类似于r e a d 命令，在对一个已激活的行进行写入数据时，控制器发出w r i t e 命令进行初始化。 7 p r e c h a r g e p r e c h a r g e 命令使选中的b a n k 中，或者是所有b a n k 中被激活的行返回非激活状态。 输入信号a 1 0 决定了是单个b a n k 还是所有的b a n k 需要进行预充电，在只有一个b a n k 选 择预充电时，用b a 0 ，b a l 来选择b a n k ；否则的话，b a 0 ，b a l 被视为无关信号。一旦 一个b a n k 进行了预充电，它就进入到空闲状态，在它执行r e a d 和w r i t e 命令之前必 须要先让这个b a n k 被激活。 8 a u t op r e c h a r o e 自动预充电所表现出的特点同上述的对单独一个b a n k 进行p r e c h a r g e 的功能相同，但 它不需要特意发出一个单独的命令。在执行r e a d 或者w r i t e 命令时，使用a 1 0 来设置 自动预充电功能，使预充电可以在读写命令发出的同时实现。预充电的单元是由r e a d 或w r i t e 命令决定地址，自动在存取操作结束后执行，但是对于整页猝发模式时，自动 预充电是不能使用的。 - 8 第二章s d r a m 的特性介绍 9 b u r s tt e r m i n a i e b u r s tt e r m i n a t e 用于停止定长的猝发存取也可以停止整页的猝发存取。离该命令最 近的前一个r e a d 或w r i t e 命令将被终止。 1 0 a u t or e f r e s h a u t or e f r e s h 命令用于正常的s d r a m 操作，类似于d r a m 的刷新命令。这个命令 只能刷新一次，因此必须在每一次需要刷新时由控制器发出。所有被激活的b a n k 在确认 a u t or e f r e s h 之前必须先预充电。在预充电命令后要至少等t r p 时间后才能发出a u t o r e f r e s h 命令。 刷新地址由s d r a m 内部控制器来产生，这使得在a u t or e f r e s h 命令时可以不必要关 心发出的地址值。对于5 1 2 m bs d r a m ，每6 4 m s 需要8 1 9 2 个自动刷新周期，控制器每 7 s i l t s 需要发出一个刷新命令来满足保持数据的要求，当然也可以发出连续8 1 9 2 个刷新 命令。 1 1 s e l f r e f r e s h 即使在系统的其余部分关闭电源的情况下，s e l fr e f r e s h 命令也可以h j 来保持s d r a m 中的数据。在自刷新模式下，s d r a m 不需要外部的时钟的支持就可以保持数据。s e l f r e f r e s h 命令除了c k e 需要在无效状态下( 低电平) ，类似于a u t or e f r e s h 命令。 一旦模式寄存器的配置选择了s e l fr e f r e s h 命令，所有的输入信号除了c k e 以外其他 的对s d r a m 都无效，c k e 必须始终保持低电平。 一旦使用了自刷新模式，s d r a m 使用它自身内部的时钟，使它完成自身的a u t o r e f r e s h 周期。s d r a m 必须保持自刷新模式的最短时间为t r a s ，在此时间之外，可以 在此状态保持任意时间长的自刷新模式。 结束自刷新模式需要一系列规范的操作。首先，在c k e 返回高电平之前，c l k 必须保持 稳定。一日c k e 拉高了，s d r a m 必须执行至少两个周期的n o p 命令，因为退出内部的 刷新进程需要一定的时间。 由上述的操作命令可以看出对s d r a m 的访问有两个限制：1 只能对当前处于激活状态的行进 行访问；2 同一个时刻，在同一个b a n k 内只能有一个行处于激活状态。 所以对s d r a m 的访问一般分为三步： 一首先判断需要操作的行所在b a n k 是否被打开，如没有则需打开该b a n k 。 二接着判断待操作的b a n k 是否有行处于激活状态。如果没有，先将待操作的行激活， 然后进行读写操作。如果有，判断处于激活状态的行是否就是待操作的行。如果是则 直接进行读写操作；如果不是，则需要先进行预充电操作，将已激活的行关闭，然后 激活待操作的行。 三对该行中的列进行访问，完成所需的读写操作。之后，对同一行中其他列的访问直接 访问对应的列单元即可，对于新行的操作则需要回到第一步重新执行。 在上述命令解析的基础上给出如图2 - 2 所示的s d r a m 的基本操作流程： 9 东南大学硕士学位论文 2 3 s d r a m 功耗分析 图2 - 2s d r a m 的操作流程 在上一节的内容中，列举了s d r a m 的相关特性以及控制操作的各条命令，并简单列出了 s d r a m 的基本操作流程。由此可见s d r a m 可以通过命令的切换使存储器工作在不同的模式下， 而在不同的工作模式下，存储器的功耗是有相当大的差别的，这种数量级上的功率消耗的差别给功 耗的优化带来了一定可能性。本节首先根据上文的操作特性，列举出存储器目前存在的各种操作模 式，并且在调查最具代表性的几个半导体厂商的s d r a m 存储器说明文档的基础上，总结出s d r a m 各种模式下的具体功耗差别，由此引出根据模式切换来优化s d r a m 应用中功率损耗的理论基础， 指出硬件实现的技术路线。 2 3 1 s d r a m 的操作模式 本文中所讨论的s d r a m 的操作模式实际上还是围绕s d r a m 的功率消耗，按照存储器的功耗 级别来区分，指的是存储器在各种操作命令下，保持类似级别功率消耗的工作状态，这些工作状态 可以由上文论述的各种操作以及控制命令的解释总结得出。 1 0 第二章s d r a m 的特性介绍 图2 3s d r a m 工作模式框图 s d r a m 的工作状态按照功率消耗的级别去分类，那么很显然在正常j 二作中的存储器功耗是最 高的，其次是在空闲状态的存储器，最低的是处于p o w e r d o w n 或者白刷新模式下的存储器。图 2 - 3 中给出各种模式以及模式间相互切换的关系。 2 3 2 s d r a m 操作模式的功耗分析 s d r a m 各个工作模式下的功率消耗会有多大的差额，各大半导体厂商产品之间的功率消耗会 有多大的差额，这些差额对s d r a m 动态功耗管理的优化有着很大的决定性作用。因此需要对现有 的s d r a m 的功耗情况作具体的调查： 下面列出几家最具代表性的半导体厂商s d r a m 产品的功耗列表1 2 2 洲： 1 m i c r o n 公司2 0 0 0 年6 4 m bt s o p5 4 - p i nm t 4 8 l c 4 m 1 6 a 2 2 0 0 3 笠1 2 8 m bm i c r o nf b g a5 4 - b a l lm t 4 8 h 8 m 1 6 l f 2 0 0 5 年5 1 2 m bt s o p5 4 - p i l im t 4 8 l c 3 2 m 1 6 a 2 表2 - 8m i c r o nt s o p5 4 - p i nm t 4 8 l c 4 m 1 6 a 2 功耗列表 雾鬻鬻鬻斓爹谬震缫鬻鞘 o p e r a t i n gc u r r e n t ：a c t i v em o d e 1 5 0m a ( r b a d w r i t e ) s m n d b yc u r r e n t ：p o w e r - d o w nm o d e ” 2m a s t a n d b yc u r r e n t ：a c t i v em o d e ( e k e = h i g h a l lb a n k sa c t i v e 小oa c c e s s ) ? 6 0 m a 4 ： ” ” o p e r a t i n gc u r r e n t ：b u r s tm o d e 、 ( r b a do rw r r r e ，a nb a n k sa c t i v e ) ，船疗 一“ m a +*” p ”， a u t or e f r e s hc u r r e n t 2 5 0 ”w 。m a s e l f r e f r e s hc u r r e n t g 。 。，谚。 ， m a 表2 - 9m i c r o nf b g a5 4 b a l lm t 4 8 h 8 m 1 6 l f 功耗列表 东南大学硕士学位论文 s t a n d b yc u r r e n t ：p o w e r - d o w nm o d e 1 5 0肚 ? s t a n d b yc u r r e n t ：a c t i v em o d e 3 5m a ( c k e