摘 要： 詳細分析了S698P4 SoC芯片存儲器控制器的控制原理，并給出相應設計方案和仿真結果。該控制器可在32 bit位寬模式下對存儲器進行讀寫控制。目前該處理器已實現了量產，實際硬件測試驗證了S698P4 SoC芯片存儲器控制器的高效性能。
關鍵詞： 存儲器控制器；S698P4；位寬模式；SPARC V8
隨著半導體技術的快速發展以其設計工藝的不斷改進提高，集成電路的設計規模越來越大，特別是進入0.18 μm以下后，已經可以在一個芯片上實現幾億個晶體管的設計規模。這樣規模的電路完全可以將一個完整的電子系統在單個芯片上實現[1]，于是便出現了所謂系統芯片SoC(System-on-Chip)。系統芯片把多種功能的系統(模塊)集成到一個芯片上，包括CPU、DSP、邏輯電路、模擬電路、內存及其他電路模塊等，并相互構成完整系統。同時，由于設計工藝的不斷提高，處理器可達到的工作頻率也越來越高，為了協調好外部存儲器(包括外部SRAM、ROM)和I/O等設備以及內部存儲器(如片內SRAM)與處理器的關系，必須要有高效的存儲器控制器對存儲器和CPU的工作進行協調控制。高效的存儲器控制器對于處理器的整體性能發揮起著越來越重要的作用。
1 S698P4簡介
S698P4是基于SPARCV8架構[2]的高性能的32 bit RISC嵌入式4核處理器，采用對稱多處理(SMP)技術，在一個內核里集成4個功能一樣的處理器核心，各CPU之間共享內存子系統及總線結構，總線競爭核仲裁由硬件自動完成，不需要用戶進行設置。它專為嵌入式應用而設計，具有高性能、低復雜度和低功耗的特點。
S698P4支持多核并行處理機制，采用eCos實時嵌入式操作系統。eCos將任務隊列對稱地分布于多個CPU之上，從而極大地提高了整個系統的數據處理能力。所有的處理器都可以平等地訪問內存、I/O和外部中斷。系統資源被系統中所有CPU共享，工作負載能夠均勻地分配到所有可用處理器之上，其運算速度快，數據處理量大、功耗低，性能和可靠性遠高于單核處理器。
圖1為S698P4結構圖，由圖可知，S698P4處理器內部集成了CPU0、CPU1、CPU2和CPU3 4個S698P核，每個S698P CPU內部又分別集成32 bit整形數處理單元、32/64 bit浮點數處理單元及8 KB數據緩存(Data Cache)和指令緩存(Instruction Cache)。針對實時應用的嵌入式領域，S698P4提供了內部看門狗、定時器、中斷控制器、通用I/O口以及串行通信接口；針對航空航天領域，S698P4提供了CAN總線接口、以太網接口以及1553B總線；同時，為了芯片調試，芯片內部還集成了硬件調試專用接口DSU，用戶通過DSU，可以訪問CPU內部所有寄存器和存儲器資源，也可訪問外部所有存儲器和I/O外設，為基于S698P4的硬件/軟件調試提供方便[3]。
S698P4處理器可廣泛應用于航空航天、海量數據處理、大規模網絡應用、復雜科學計算及大型圖形建模等領域。
2 S698P4存儲器控制器設計方案
2.1 存儲器地址分配
存儲器控制器控制一個連有PROM、I/O設備，靜態存儲器(SRAM)和動態隨機存儲器(SDRAM)的存儲器總線，如圖2所示。存儲器控制器作為從屬設備掛在AHB總線上，存儲器控制器的運作可通過軟件配置“存儲器配置寄存器1，2&3”(MCFG1，MCFG2 & MCFG3)來控制，表1為存儲器配置寄存器地址分配表。“存儲器配置寄存器1，2&3”的配置通過APB總線進行。存儲器總線支持四種類型的設備，包括PROM、SRAM、SDRAM和I/O。PROM、SRAM和SDRAM總線只支持32 bit模式，而I/O可以根據需求配置為8、16、32 bit模式。存儲器控制器包括2 GB空間，分成如表2所列的幾個部分。
2.2 PROM
處理器提供兩個PROM片選信號ROMSN[1：0]。PROM的訪問和存儲器的訪問基本相似，其讀/寫周期時序如圖3和圖4所示。
2.3 靜態存儲器(SRAM)
SRAM區最高可達512 MB，具有5個存儲塊，每塊的大小在存儲器配置寄存器2的MCFG2[12：9]中設定，按照二進制步進算法，MCFG2[12：9]可設定為8 KB～256 MB。靜態存儲器讀訪問包括兩個數據周期和0~15個等待周期。在非連貫的訪問中，在一個讀周期后增加一個前導輸出的周期，可以阻止由于存儲器或者I/O設備的關閉時間引起的總線競爭。圖5和圖6為基本的讀/寫周期波形(0等待周期)。
2.4 動態隨機存儲器(SDRAM)
動態隨機存儲器訪問支持兩塊PC100/PC133兼容的設備。動態隨機存儲器控制器帶有8~12個列地址位，并且有最高13行的動態隨機存儲器。通過MCFG2和MCFG3控制動態隨機存儲器的操作。S698P4只支持32 bit的數據總線寬度，每個塊的大小可以編程在512 B~4 MB之間。為了對不同的動態隨機存儲器(在不同的頻率)提供最優的訪問周期，一些動態隨機存儲器的參數可以在MCFG2中設定。可設定的動態隨機存儲器參數如表3所示。
3 S698P4存儲器控制器的實現與驗證
S698P4采用VHDL語言進行編寫，其編碼風格同傳統以并發執行[4-5]的并發進程(或開發語句)作為模塊，即所謂的“數據流”編碼風格不一樣，采用的是“二進制”的設計方法。這種編碼風格克服了“數據流”編碼方式的可讀性差、抽象級低、仿真時間長等缺點。“二進制”編碼風格的具體措施是：(1)所有的端口和信號聲明采用記錄的形式進行說明，如按輸入輸出分類進行記錄說明；(2)每個實體只有兩個進程，即組合進程和時序進程；(3)在組合進程中全部采用變量(而不是信號)，以使用結構化的順序編碼方式；(4)在時序進程中通過時鐘同步進行狀態的轉換。
S698P4存儲器控制器代碼在Modelsim 6.2b上能夠通過功能仿真(其中外部SRAM讀寫控制仿真波形如圖9和圖10所示)，并且在Quartus II以及ISE EDA平臺上成功綜合布線，燒寫到FPGA后能夠通過硬件測試。
圖9和圖10為S698P4外部SRAM讀/寫控制波形圖。由圖9或圖10可知，S698P4存儲器控制器實現了對應RAM片選ramsn、ROM片選romsn及I/O片選iosn輸出，sa為公用地址總線，此處沒有進行配置，只用到單獨的address地址總線，對應圖2的地址總線A。Data為數據總線，對應圖2的數據總線D。ramoen為RAM輸出使能，oen為讀使能，其為低時，讀出數據。
目前，S698P4處理器已經成功實現了量產，在航空航天、工業控制等領域中得到廣泛應用。實踐證明，S698P4存儲器控制器能夠高效地對存儲器和CPU的工作進行協調控制，并在發揮處理器整體性能上起到很關鍵的作用。
參考文獻
[1] 虞希清.專用集成電路設計實用教程[M].杭州：浙江大學出版社，2006.
[2] 珠海歐比特控制工程股份有限公司.S698P4芯片用戶手冊(V2.0)[K].2011.
[3] 蔣曉華，李付海，祁波.SPARC體系的S698系列SOC及其應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2007(8)：84-85.
[4] 邊計年，薛宏熙.用VHDL設計電子線路[M].北京：清華大學出版社，2000.
[5] PEDRONI V A.VHDL數字電路設計教程[M].喬廬峰，等，譯.北京：電子工業出版社，2005.