用基于CAM的DDR控制器架構(gòu)實現(xiàn)DDR DRAM效率最大化

多年來，對芯片外部DDR SDRAM的訪問已經(jīng)成為SoC設(shè)計的一個不可分割的部分。當(dāng)考慮DDR IP時，SoC設(shè)計師面臨的一個選擇是自己做IP還是從第三方IP供應(yīng)商那里獲得授權(quán)。

正如大多數(shù)IP一樣，選擇DDR接口IP的標(biāo)準(zhǔn)包括面積、功耗、功能和性能。隨著更多的功能和應(yīng)用被集成到SoC之中，CPU所需的處理能力和其它處理功能也必須相應(yīng)地提高。與處理能力提高攜手并進的通常是DDR帶寬需求的提高，因此性能便成為了選擇DDR IP的最重要標(biāo)準(zhǔn)。

起初，DDR SDRAM被設(shè)計成目前架構(gòu)的一個主要原因是為了滿足我們熟知的DDR SDRAM體系結(jié)構(gòu)要求。它的主要目的就是創(chuàng)造一種小尺寸和引腳數(shù)量少的低成本片外存儲器。SDRAM的存儲單元非常小，它們由單通道柵極晶體管和儲存電荷的電容構(gòu)成。該接口通過共享相同的、用于讀寫的總線和分清行列的地址引腳來降低使用的引腳數(shù)量。雖然實現(xiàn)低成本這一主要目標(biāo)得以實現(xiàn)，但它導(dǎo)致了一種不能以高效的方式進行隨機尋址的芯片外存儲器架構(gòu)。為適應(yīng)數(shù)據(jù)寫入或從SDRAM讀出的低效率，SoC需要使用一個控制器來管理對DDR SDRAM的訪問。當(dāng)今絕大多數(shù)存儲器控制器都會考慮DDR SDRAM的低效性，并且試圖重組到DDR SDRAM的命令，以將無效指令數(shù)量減至最少，并提高SoC訪問SDRAM的效率(帶寬)。

DDR SDRAM控制器傳統(tǒng)上通過使用一個先入先出(FIFO)架構(gòu)來評估流量請求隊列(通常被稱為一種前瞻性)來對流量重新排序。后來，隨著技術(shù)進步引入了一種新的DDR控制器，它充分利用了一種內(nèi)容可尋址存儲器(CAM)前瞻性架構(gòu)來對流量重新排序。

【分頁導(dǎo)航】

第1頁：背景介紹

第2頁：DDR SDRAM訪問特性和效率測試

第3頁：DDR控制器效率對比

DDR SDRAM訪問特性

DDR SDRAM芯片內(nèi)包含多個獨立的存儲體(Banks)—典型的是8個存儲體，如圖1所示。每個存儲體可以處于閑置、活躍或者依次充電的狀態(tài)。通過一個“激活”指令可以“打開”一個閑置bank，并將規(guī)定行的數(shù)據(jù)讀進一個感知放大器陣列中，它存儲了所有讀寫操作期間的數(shù)據(jù)。

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這個過程需要一些時間，并導(dǎo)致在從任何給定行中讀取數(shù)據(jù)前就增加了開銷。訪問存儲于讀出放大器中的數(shù)據(jù)的速度會更快。此外，每條讀/寫命令在行內(nèi)使用一個列地址來訪問數(shù)據(jù)。

若存儲控制器想要訪問一個不同的行，它必須首先讓該存儲體的讀出放大器返回到一個閑置狀態(tài)，準(zhǔn)備去讀出下一行。這被稱作“預(yù)充電”命令，或者“關(guān)閉”這一行。在該存儲體完全變成閑置狀態(tài)以便于在可以接受另一個激活指令之前，有一段必須清空的最短時間。

訪問時間從最長到最短，分為如下的層級：

1,在另一不同的行被打開時，訪問一行(要求處于打開的行先被關(guān)閉，另一個新的行才被打開)

2,訪問一個處于關(guān)閉的行(要求該行被打開)

3,訪問當(dāng)前被打開的行除了訪問時間之外，存儲控制器的實現(xiàn)還有許多其它時序考慮因素(如：刷新、斷電和初始化)。例如：將存儲子系統(tǒng)從讀狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷憼顟B(tài)，或者從寫狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽x狀態(tài)，會造成與接口總線轉(zhuǎn)換方向相關(guān)的延遲。如果發(fā)生次數(shù)太多，就會降低數(shù)據(jù)從SDRAM移進和移出的整體效率。

測量效率

數(shù)據(jù)傳輸效率是通過一個存儲器接口的可用數(shù)據(jù)傳輸帶寬數(shù)值的一種度量。效率通常由一種特定的存儲器接口實現(xiàn)方式的理論最大存儲器傳輸帶寬的一個百分比來表示。

例如，如果一個DDR3SDRAM是八位寬度，工作在800MHz時鐘，那么理論上的最大傳輸速率為1600Mbps。如果該SDRAM實現(xiàn)的平均傳輸速率為800Mbps，那么該存儲控制器的效率為50%。各種不同的存儲控制器實現(xiàn)的效率通常為25%~90%。顯而易見，一個低效的設(shè)計實現(xiàn)會嚴(yán)重影響關(guān)鍵系統(tǒng)特性，增加整體解決方案的成本。

在某些情況下，高數(shù)據(jù)傳輸效率難以實現(xiàn)，這是因為SoC中的訪問請求者的訪問模式是隨機的。因為打開的行具有更快的訪問時間，如果存儲器請求多數(shù)時間在一個打開的行上工作，那么在這些訪問期間就可以實現(xiàn)理論上的最大帶寬。如果存儲器訪問是凌亂分散的，那么可能很難再次訪問到相同的行，導(dǎo)致了去訪問不同的行更長的訪問時間，因此縮短了平均訪問時間，降低了整體的數(shù)據(jù)傳輸速率。很顯然，如果一個存儲控制器可以評估流量模式和發(fā)現(xiàn)一種以更高效的方式給操作排序的可能性—如集合在一起成組地訪問相同的存儲行，而不是僅僅依照存儲訪問的請求順序來執(zhí)行它們，或者為高優(yōu)先級數(shù)據(jù)提供快速訪問—那么就可以減小低效率流量模式所帶來的影響。一個能夠并特別擅長管理隨機流量的DDR存儲控制器可以顯著地提高效率。

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DDR控制器效率對比

圖2展示了由一個基于FIFO的DDR控制器的效率分析，數(shù)據(jù)結(jié)果來自于市場基準(zhǔn)研究。這些實例模式代表了三種不同的流量類型，分別被標(biāo)記為模式_80_20、模式_50_50和模式_20_80。標(biāo)記的命名代表了模式的類型：標(biāo)簽中第一個數(shù)字代表連續(xù)或遞增訪問的百分比，第二個數(shù)字代表隨機訪問的百分比。隨著隨機部分的百分比從20%增長到80%，效率則如預(yù)期一樣降低。模式中的連續(xù)部分為針對一個打開頁的流量請求，這是設(shè)計的最佳情況，提供了最高的效率。流量的隨機部分抑或是對一個關(guān)閉頁的訪問，或者是對一個帶有不同打開頁的存儲體的訪問請求。通過深入分析，模式_20_80的效率大概為55%，模式_50_50的效率大概為60%，而模式_80_20的效率可以達到75%。

圖3說明了一個基于CAM的DDR控制器在執(zhí)行這三種相同模式時產(chǎn)生的效率結(jié)果。帶有32個條目的CAM的效率大于或者等于基于FIFO的DDR控制器的效率結(jié)果，而擁有64個條目的CAM的效率結(jié)果則明顯更高。帶有64個條目的基于CAM的DDR控制器在模式_80_20下效率結(jié)果為接近98%，模式_50_50為80%，模式_20_80為65%。這表明了相對于基于FIFO的控制器，基于CAM的架構(gòu)在效率上實現(xiàn)了顯著的提高—這意味著提高了帶寬。

由于DRAM的存儲體(Bank)架構(gòu)，設(shè)計師過去不得不很困難地分配到DDR SDRAM的存儲空間訪問，以使SoC循環(huán)讀寫8個可用的存儲體。在多種模式下循環(huán)訪問存儲體可使控制器工作在存儲體架構(gòu)范圍內(nèi)，以提供合理的效率。然而，一些SoC系統(tǒng)并沒有在不同存儲體和DDR控制器之間定期發(fā)送循環(huán)數(shù)據(jù)流，而這正是基于CAM架構(gòu)的控制器足以勝任的?；贑AM的架構(gòu)可以調(diào)整整個指令序列，甚至為了更高的效率可以將最隨機的流量模式重新排序。

隨機模式1和隨機模式2是兩種不同種類的非常隨機的數(shù)據(jù)流，但它們不在各存儲體間循環(huán)。隨機/連續(xù)模式將隨機模式與相似的連續(xù)模式結(jié)合在一起，并應(yīng)用到那些在以上例子討論過的情況中。在圖4中，F(xiàn)IFO_CTL的效率在隨機/連續(xù)模式下有所提高，但是在圖中可以看到基于CAM的控制器的所有模式得到的效率數(shù)值均比FIFO_CTL的效率高出很多。