嵌入式MIPS32 M4K处理器内核SRAM接口应用

在微控制器尺寸和成本的限制下，M4K内核内部不支持指令高速缓存(I-cache)或数据高速缓存(D-cache)的标准功能。本文重点讨论的一个内容--SRAM接口，这是MIPS32 M4K内核的一个标准功能。

　　M4K内核SRAM接口基本描述

　　M4K内核SRAM接口是M4K内核的通用高速存储器接口。它可为指令存储器和数据存储器路径提供低延迟接口，支持单周期和多周期存储器存取。 必须指出，SRAM接口不能直接与外部存储器件连接，若要实现外部存储连接，需使用一个外部存储控制器。必须使用固定映射表(FMT)和SRAM接口，以提供完整的存储器控制逻辑。一种是置于CPU与主存间的高速缓存，它有两种规格：一种是固定在主板上的高速缓存(Cache Memory );另一种是插在卡槽上的COAST(Cache On A Stick)扩充用的高速缓存，另外在CMOS芯片1468l8的电路里，它的内部也有较小容量的128字节SRAM，存储我们所设置的配置数据。还有为了加速CPU内部数据的传送，自80486CPU起，在CPU的内部也设计有高速缓存，故在Pentium CPU就有所谓的L1 Cache(一级高速缓存)和L2Cache(二级高速缓存)的名词，一般L1 Cache是内建在CPU的内部，L2 Cache是设计在CPU的外部，但是Pentium Pro把L1和L2 Cache同时设计在CPU的内部，故Pentium Pro的体积较大。Pentium II又把L2 Cache移至CPU内核之外的黑盒子里。SRAM显然速度快，不需要刷新的操作，但是也有另外的缺点，就是价格高，体积大，所以在主板上还不能作为用量较大的主存。

　　双模操作

　　SRAM接口的初始配置称为双模。在这种模式下，指令和数据通道彼此隔离。数据有独立的读写总线(D-SRAM)，还有D-SRAM接口控制信号和一个独立的指令侧(I-SRAM)接口，以及其互补I-SRAM控制信号。

　　双模有助于I-SRAM和D-SRAM接口的同步处理，消除任何可能出现在公用总线接口上的延迟，防止其减缓程序的执行。在这个模式下，内核可达到1.5 DMIPS/MHz的标称性能。双模结构如图1所示。

　　标准模式

　　标准模式是标准接口的一个配置选项，在这种模式下，为了节省必须从内核发送的信号总数，I-SRAM和D-SRAM信号合并在一起。除了数据写总线外，D-SRAM接口是完全禁用的，所有数据读周期都自动改变方向，以使用I-SRAM读总线。

　　在该模式中，内核的平均性能大概是1.2 DMIPS/MHz。然而，由SRAM接口内核暴露的活跃信号总数是122个，比双模节省87个信号。减少接口使用的活跃信号数量，对于成本非常有限、总裸片面积比绝对性能更重要的设计来说，是一种更经济有效的方式。

　　SRAM接口标准模式如图2所示。

　　 处理中断

　　SRAM接口提供了中止指令处理的能力，这种能力可中止M4K内核5段流水线中任何指令处理。这有助于外部系统控制器立即响应外部事件，如中断请求或通过EJTAG调试接口请求。在处理典型微控制器应用中高度确定性性质时，快速响应外部中断事件至关重要。

　　对接口信号连接有限的器件提供支持

　　这个功能通常用于接口外设的总线锁存和总线停止的组合，如ADC。该类型的混合信号器件通常不提供32位位宽的接口。

　　总线锁存和总线停止

　　SRAM接口提供输入控制信号，在外部存储控制器禁用这个信号之前锁住数据总线，以防止CPU进一步写处理。由此，可不用担心多线程存储周期的损害。SRAM接口还提供控制信号，利于总线停止，使设计师将速度更慢的存储器和外设连接到系统成为可能。这些器件可包括速度更慢的非易失性RAM和混合信号器件，在将请求的数据传送到总线之前，它们需要更多的等待时间。

　　缓存关联信号

　　虽然M4K内核不包含任何高速缓存，但仍能指明出现在地址总线上的当前存储器地址是否可以进行缓存。外部存储控制器能够利用这些状态信号实现L2高速缓存结构。

　　M4K SRAM接口在微控制器领域的应用

　　利用上述这些功能，设计师们能够对于微控制器系统环境中使用M4K SRAM接口的多种优势有所认识。

首先，紧密耦合的接口意味着大多数处理任务是在单时钟周期内完成的。除非当设计师执行总线停止时，需要考虑速度较慢的存储器件的完成周期。而且，连接到该接口的控制逻辑必须只能处理指令和数据，以使整个逻辑设计不那么复杂。另外，可能还要锁住总线，使原子处理的完成能够不受排队周期的影响。SRAM指令执行速度要比DRAM快得多。Cold-Fire5329处理器内部集成了32 KB的SRAM，本设计方案将充分利用处理器片内SRAM来对解码程序进行优化。首先对源代码中的主要解码函数进行分析，如表1所列。可以看到驱动写函数(write)、子带综合(MPEGSUB_synthesis)、反向修正离散余弦变换(imdct_I)和