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一种嵌入式系统的新型存储器结构:灵活的顺序与随机存取存储器

A Novel Memory Structure for Embedded Systems: Flexible Sequential andRandom Access Memory

  • 摘要: 高性能计算体系结构和半导体技术的快速发展带动了高性能存储器的研究。硬件能力的增长导致了由于访存所需时间而造成的性能瓶颈。此外,嵌入式系统的片载存储器的性能直接影响着系统设计师如何针对最昂贵的芯片面积的分配作出决策。而随着嵌入式应用越来越以数据为中心,片外存储器的功耗已经成为能源消耗的瓶颈。 最新的研究往往集中在改善片载存储器结构的性能与功耗而非片外存储器上。 Moon 等人研究了一种低功耗顺序存取片载存储器,旨在利用数字信号处理应用中的大量顺序存取模式。传统计算机体系结构中的预取技巧已经被用来增强嵌入式系统片载存储器的性能。其他的研究也对嵌入式系统的能耗高效片外存储器进行了探讨,如多体存储系统的自动迁移技术。 然而,这些研究没有一个是通过片外存储器结构来改善片载存储器性能的。而我们开展的一项研究验证了一种新型、低功耗的片外存储器结构的性能潜力,即灵活的顺序与随机存取存储器( lexible sequential and random access memory, 简称 FSRAM )。 FSRAM 是一种针对嵌入式系统的新型的存储器结构。除了正常的随机存取外, FSRAM 还使用一个另外的“链” 结构,它可以绕过行译码器进行顺序存取。这就是说,为了实现顺序存取,在 RAM 阵列中的每一行增加了小“链”以指向待预取的下一排。潜在的 Cache 污染情况通过一个小的顺序存取缓冲器( SAB )得到了改善。为了评价 FSRAM 在体系结构级的性能,我们在一个改进版本的 Simplescaler 模拟器上运行了 Mediabench 基准测试程序。 我们的结果证明, FSRAM 把一个具有一 16KB 数据 Cache 底线处理器的性能提高了 55% ,平均提高 9% ;此外, FSRAM 由于其预取效果而把数据 Cache 的平均不命中率降低了 35.1% 。我们已经设计了 FSRAM 的 RTL 和 SPICE 模型,这证明了 FSRAM 在降低功耗的同时大大改善了存储器的存储时间,而面积开销可以忽略不计。

     

    Abstract: The on-chip memory performance of embedded systems directly affects thesystem designers' decision about how to allocate expensive silicon area.A novel memory architecture, flexible sequentialand random access memory (FSRAM), is investigated for embedded systems.To realize sequential accesses, small ``links'' are added to each row in the RAMarray to point to the next row to be prefetched. The potential cachepollution is ameliorated by a small sequential access buffer(SAB). To evaluate the architecture-level performance of FSRAM, we ranthe Mediabench benchmark programs on a modified version of theSimpleScalar simulator. Our results show that the FSRAM improvesthe performance of a baseline processor with a 16KB data cache up to55%, with an average of 9%; furthermore, the FSRAM reduces 53.1% ofthe data cache miss count on average due to its prefetching effect. Wealso designed RTL and SPICE models of the FSRAM, which show thatthe FSRAM significantly improves memory access time, while reducingpower consumption, with negligible area overhead.

     

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