基于當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器控制器設(shè)計(jì)

1、引言
當(dāng)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越受存儲(chǔ)性能的限制。處理器性能每年以60％的速率增長(zhǎng)，存儲(chǔ)器芯片每年僅僅增加10％的帶寬，本文就如何設(shè)計(jì)一種符合當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)的高效存儲(chǔ)器控制器進(jìn)行研究。
本文第二部分介紹當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；第三部分介紹存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)以及調(diào)度算法；第四部分介紹模擬環(huán)境以及性能表現(xiàn)。
2、當(dāng)代DRAM結(jié)構(gòu)
為了提高存儲(chǔ)器的性能，存儲(chǔ)器控制器的設(shè)計(jì)必須充分利用當(dāng)代DRAM的特點(diǎn)。DRAM是3D的存儲(chǔ)器（體行列），每個(gè)體獨(dú)立于其他體操作并且一次存取整行。當(dāng)存儲(chǔ)陣列的一行被存取（行激活），存儲(chǔ)陣列的整行被傳輸?shù)竭@個(gè)體的行緩沖。當(dāng)一行在行緩沖中處于激活態(tài)，任何的讀寫（列存取）可以執(zhí)行。當(dāng)完成所有可利用的列存取，被緩沖的行必須依靠外在的操作（體預(yù)充電）寫回存儲(chǔ)陣列，為后來(lái)的行激活操作做準(zhǔn)備。
存儲(chǔ)器存取調(diào)度者必須滿足DRAM時(shí)序和資源限制。共享的地址和數(shù)據(jù)線資源使存取串行化到不同的DRAM體，但是每個(gè)體的狀態(tài)機(jī)是獨(dú)立的。因此，調(diào)度者必須仲裁要使用單一資源的預(yù)充電、行、列操作。要充分利用存儲(chǔ)帶寬，必須每次行激活下有足夠的列存取并且隱藏其他體的預(yù)充電/激活延遲。
3、存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)及調(diào)度算法
存儲(chǔ)器存取調(diào)度是排序DRAM操作（體預(yù)充電，行激活，列存取）完成當(dāng)前掛起的存儲(chǔ)器存取的過程。操作表示一個(gè)命令（如行激活、列存?。?，被存儲(chǔ)器控制器發(fā)射到DRAM。訪問表示由處理器產(chǎn)生的存儲(chǔ)器訪問（如讀訪問或者寫訪問）。一個(gè)訪問產(chǎn)生一個(gè)或者多個(gè)存儲(chǔ)器操作。

圖1.存儲(chǔ)器控制器結(jié)構(gòu)
圖1顯示采用存取調(diào)度算法的控制器結(jié)構(gòu)。每個(gè)體有預(yù)充電管理器，行仲裁器。預(yù)充電管理器決定什么時(shí)候?qū)εc他相關(guān)的體預(yù)充電。每個(gè)體的行仲裁器決定哪一行被激活。列仲裁器被所有體共享，授權(quán)共享的數(shù)據(jù)線資源給來(lái)自所有掛起的訪問的列存取。最后，預(yù)充電管理器、行仲裁器、列仲裁器發(fā)射選擇的操作給單一的地址仲裁器，地址仲裁器授予共享地址資源給一個(gè)或者多個(gè)操作。
預(yù)充電管理器，行仲裁器，列仲裁器可以使用多個(gè)不同的策略選擇DRAM操作。由于地址線資源的是共享的，地址仲裁器策略決定哪個(gè)預(yù)充電、激活、列操作被執(zhí)行。跟其他調(diào)度策略一樣，按序或者優(yōu)先權(quán)策略可用來(lái)作為地址仲裁器策略。列優(yōu)先調(diào)度策略可以減少到激活行的訪問延遲，然而預(yù)充電優(yōu)先或者行優(yōu)先調(diào)度策略會(huì)增加體并行性。
下面介紹幾種預(yù)充電管理器，行仲裁器，列仲裁器可能使用的調(diào)度策略：
In order：DRAM操作只會(huì)執(zhí)行最早請(qǐng)求掛起的訪問；
Ordered：越老的訪問優(yōu)先級(jí)越高；
Open：只有在其他行有掛起的訪問而激活行沒有掛起的訪問才進(jìn)行體預(yù)充電。當(dāng)有顯著的行局部性使得后來(lái)的訪問命中前面訪問的行，Open策略應(yīng)該采用；
Closed：只要激活行沒有掛起的訪問體就預(yù)充電。后來(lái)的訪問不太會(huì)命中前面訪問的行，closed策略應(yīng)該采用。
4、控制器性能表現(xiàn)
傳輸帶寬而不是訪問延遲驅(qū)動(dòng)流處理器性能。因此流媒體處理系統(tǒng)是首要的需要存儲(chǔ)器存取調(diào)度。為了評(píng)價(jià)存儲(chǔ)器存取調(diào)度對(duì)于媒體處理器的性能影響，通過模擬運(yùn)行典型的基準(zhǔn)程序。