免費(fèi)代理軟件接口實(shí)現(xiàn)靈活的內(nèi)存配置

微處理器的外部總線接口(External Bus Interface；EBI)用于存取或控制外部的周邊裝置，但是閃存、同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存(SDRAM)各自擁有特定的裝置接口。原因之一是免費(fèi)代理軟件接口這些類型的內(nèi)存芯片在存取內(nèi)部儲(chǔ)存單元(storage cell)時(shí)所需耗費(fèi)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于EBI的作業(yè)時(shí)間，另一原因是不同類型的內(nèi)存有其獨(dú)特的存取特性。例如，閃存對于儲(chǔ)存單元的寫入是程序化(programming)，在程序化之前必須先抹除(erase)。

SPMI的硬件結(jié)構(gòu)和軟件工程

圖 1呈現(xiàn)微處理器和各類型的內(nèi)存之間應(yīng)用軟件代理內(nèi)存接口(Software Proxy Memory Interface；SPMI)的硬件結(jié)構(gòu)(關(guān)于軟件代理接口的更多討論，請參考筆者先前發(fā)表的《軟件代理接口提升內(nèi)存存取效率》一文)。軟件程序在微處理器內(nèi)部執(zhí)行時(shí)控制二輸出腳，并且協(xié)同EBI來存取或控制各種內(nèi)存。這二輸出腳的訊號(hào)是單元存取致能(cell access enable，#CAE)以及啟動(dòng)(activating，#ACT)，形成如圖 1所示的一組控制訊號(hào)，亦即‘Control 1’。由于閃存在進(jìn)行程序化和抹除時(shí)皆需耗費(fèi)非常久的時(shí)間，所以使用另一組控制訊號(hào)，亦即‘Control 2’。

依據(jù)內(nèi)存的存取特性和訪問時(shí)間來撰寫其所對應(yīng)的軟件程序，軟件工程師必須適時(shí)使用EBI來傳輸數(shù)據(jù)和控制GPIO來操作內(nèi)存裝置。當(dāng)SPMI的程序代碼被微處理器執(zhí)行時(shí)，EBI和GPIO一定是循序動(dòng)作；其中，EBI負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)，GPIO負(fù)責(zé)控制儲(chǔ)存單元的存取，并且依據(jù)內(nèi)存的存取特性來交替使用EBI和GPIO。這是簡單介紹SPMI在軟件工程上的基本知識(shí)；順便一提，用于存取DRAM的程序代碼也可轉(zhuǎn)成微處理器的微碼(microcode)。

免費(fèi)代理軟件接口實(shí)現(xiàn)靈活的內(nèi)存配置圖一

SPMI的特征

圖 2呈現(xiàn)SPMI DRAM與[DDR-n] SDRAM的差異，用來介紹SPMI的獨(dú)到特征。SPMI DRAM芯片包含控制邏輯(control logic)，但沒有自動(dòng)更新(auto refresh)以及延遲鎖定回路(DLL)，這樣的硬件架構(gòu)可降低單一芯片的成本。除此之外，SDRAM的控制邏輯比SPMI DRAM更加復(fù)雜。軟件工程師可善加利用系統(tǒng)單芯片(SoC)的內(nèi)部裝置以及硬件平臺(tái)的裝置來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新的功能。

對于基本的自動(dòng)更新，其所相關(guān)的硬件電路包含定時(shí)器，更進(jìn)階的自動(dòng)更新就需要溫度傳感器；這一定時(shí)器以及溫度傳感器并不要求精確度也不要求速度。如果在SDRAM芯片內(nèi)部執(zhí)行自動(dòng)更新會(huì)產(chǎn)生正比于芯片數(shù)量的功率消耗。SoC可以包含高效率處理器和低功率處理器，某些SoC也有溫度傳感器；除此之外，先進(jìn)的硬件平臺(tái)會(huì)偵測SoC與周邊芯片之間的環(huán)境溫度。因此，當(dāng)SoC在低功率運(yùn)行時(shí)，SPMI的軟件程序可以使用低頻率定時(shí)器和各溫度傳感器來執(zhí)行自動(dòng)更新。例如，SoC透過內(nèi)部的N模計(jì)數(shù)器來降低核心的工作頻率，然后使用圖 2所示的第一定時(shí)器、核心溫度傳感器、周邊溫度傳感器。

異步SRAM的訪問時(shí)間可以直接換算出操作頻率的極限或直接判斷存取效率的良窳，但DDR-n SDRAM的操作頻率受限于DLL的鎖定頻率(lock in frequency)，其存取效率受限于速度箱(speed bin)的數(shù)值。DLL的電路設(shè)計(jì)有其預(yù)定的頻率范圍，于是SDRAM控制器的頻率頻率不能大幅變更；這對于硬件工程師在設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)時(shí)，不易在應(yīng)用設(shè)計(jì)與組件規(guī)格之間取得較佳的平衡；當(dāng)這一硬件平臺(tái)轉(zhuǎn)給軟件工程師之后就成了錙銖必較的軟件工程。

軟件程序與數(shù)字邏輯之間具有互換的本質(zhì)，于是SPMI的功能可以轉(zhuǎn)換成硬件控制器，此即圖 2所示的SPMI控制器。由于SPMI的動(dòng)作僅是單純控制EBI和GPIO的時(shí)序，所以該控制器的硬件組件可以使用電場可程序門陣列(Field Programmable Gate Array；FPGA)，或是復(fù)合型可程序邏輯組件(Complex Programmable Logic Device；CPLD)。

(譯名解讀：原文‘Field’應(yīng)是暗喻應(yīng)用經(jīng)由橫向電場而能工作的晶體管，即「場效晶體管」(FET)；而原文‘Gate’在開發(fā)上應(yīng)不受限于「邏輯閘」，例如模擬開關(guān)也是一種閘；原文‘Complex’在硬件架構(gòu)上則是復(fù)合許多PLD。)