馬 超，丁 摯，田 澤，王 婷

(1.中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

MA Chao1,2,DING Zhi3,TIAN Ze1,2,WANG Ting1,2

從設(shè)備存儲(chǔ)器窗口遍歷機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬 超1,2，丁 摯3，田 澤1,2，王 婷1,2

(1.中國(guó)航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068；2.集成電路與微系統(tǒng)設(shè)計(jì)航空科技重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 西安 710068；3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

目前基于總線接口構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在應(yīng)用中占據(jù)主流地位，并仍將持續(xù)作為主流。隨著計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及應(yīng)用的復(fù)雜度的不斷提高，對(duì)外部存儲(chǔ)資源的需求越來(lái)越大。然而存儲(chǔ)資源的不斷增大以及存儲(chǔ)功能的正確與否大大增加了前期設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作的難度并影響了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。文中采用總線接口架構(gòu)，提出了一種接口總線從設(shè)備存儲(chǔ)器窗口遍歷機(jī)制，具有不限制存儲(chǔ)系統(tǒng)頻率、不限制存儲(chǔ)大小的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)窗口更新，實(shí)現(xiàn)由主機(jī)對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的遍歷訪問(wèn)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期完成對(duì)外部存儲(chǔ)資源功能的驗(yàn)證，極大提高了前端設(shè)計(jì)以及芯片測(cè)試中驗(yàn)證測(cè)試的準(zhǔn)確性。

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)；總線接口；從設(shè)備；窗口遍歷

MA Chao1,2,DING Zhi3,TIAN Ze1,2,WANG Ting1,2

0 引 言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，加大了外部存儲(chǔ)資源對(duì)帶寬、傳輸效率的依賴，同樣也極大地增加了對(duì)前期測(cè)試驗(yàn)證的難度[1-2]。隨著處理效率及性能要求的增加，保證寫入存儲(chǔ)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的可測(cè)性，成為設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵[3]。

為此，在設(shè)計(jì)中增加主機(jī)直接訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的通路，能夠在最大限度上保證前期設(shè)計(jì)、調(diào)試的正確性[4-5]。

1 調(diào)試通路設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

主機(jī)通過(guò)從通道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)的讀寫訪問(wèn)。主機(jī)從通道窗口遍歷機(jī)制架構(gòu)如圖1所示。

圖1 主機(jī)從通道窗口機(jī)制架構(gòu)圖

窗口機(jī)制訪問(wèn)存儲(chǔ)操作序列：

(1)主機(jī)通過(guò)MEM類型從接口，配置窗口寄存器，該寄存器有效位與外部存儲(chǔ)資源大小相關(guān)，依據(jù)外部存儲(chǔ)大小，確定窗口寄存器有效位。通過(guò)配置該寄存器，完成主機(jī)對(duì)外部存儲(chǔ)資源的窗口映射。

(2)由主機(jī)發(fā)起訪問(wèn)外部存儲(chǔ)的讀寫操作，基地址由主機(jī)配置寄存器完成配置。

(3)更新窗口寄存器，執(zhí)行下一次讀寫操作。

1.2 窗口遍歷存儲(chǔ)機(jī)制

為方便主機(jī)靈活高效地訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)，允許主機(jī)發(fā)起單拍訪問(wèn)/Burst讀寫訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用FIFO類型從通道接口作為調(diào)試通路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[6]。

存儲(chǔ)的不斷增大提高了系統(tǒng)性能，同時(shí)受限于主機(jī)的帶寬，無(wú)法作為對(duì)外部主機(jī)的全部可見，然而，通過(guò)窗口機(jī)制的設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)主機(jī)對(duì)外部存儲(chǔ)空間的遍歷[7-8]。

窗口機(jī)制是主機(jī)通過(guò)配置窗口寄存器確定訪問(wèn)存儲(chǔ)的基地址，結(jié)合主機(jī)從通路基地址寄存器，完成對(duì)外部存儲(chǔ)資源的地址映射關(guān)系。

根據(jù)存儲(chǔ)大小，在窗口寄存器的設(shè)計(jì)中確定寄存器的有效位數(shù)。主機(jī)配置寄存器的通路是通過(guò)從通道MEM類型實(shí)現(xiàn)，所以在完成窗口寄存器設(shè)計(jì)后，仍需實(shí)現(xiàn)從通道MEM類型接口到從通道FIFO類型接口的數(shù)據(jù)傳輸。保證在FIFO類型接口操作發(fā)起時(shí)，窗口數(shù)據(jù)已更新[9]。

1.3 輸出控制子模塊

輸出控制子模塊作為主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的核心邏輯，完成外部主機(jī)和存儲(chǔ)管理與控制單元的讀寫交互，實(shí)現(xiàn)外部主機(jī)通過(guò)存儲(chǔ)管理與控制單元完成對(duì)外部存儲(chǔ)的讀寫操作。通過(guò)跨時(shí)鐘域處理，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)管理與控制單元的反饋信號(hào)以及PCI控制信號(hào)的控制及交互[10]。

1.3.1 寫操作的設(shè)計(jì)

主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的寫操作設(shè)計(jì)方法如下：

(1)判斷是否發(fā)生主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)中通路的切換；

(2)如果檢測(cè)到發(fā)生了通路的切換且緩存內(nèi)有未向存儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，將上一次寫操作的數(shù)據(jù)、地址、字節(jié)使能等信息寫入緩存內(nèi)；

(3)如果未檢測(cè)到通路的切換，判斷本次操作；

(4)若本次操作為寫操作，判斷通路計(jì)數(shù)是否等于0，如本次操作為讀操作，將上一次寫操作的數(shù)據(jù)、地址、字節(jié)使能等信息寫入緩存內(nèi)；

(5)若通路寫數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)等于0，判斷本次操作的地址與上一次寫操作的地址是否連續(xù)，若通路寫數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)等于16，則將上一次寫操作的數(shù)據(jù)、地址、字節(jié)使能等信息寫入緩存內(nèi)，若不等于0且不等于16，則返回初始狀態(tài)；

(6)若本次操作訪問(wèn)的地址與上一次寫操作訪問(wèn)的地址連續(xù)，則繼續(xù)判斷是否寫入滿16個(gè)字；

(7)若寫滿16個(gè)字，則將32位下數(shù)據(jù)拼接成256位，并將本次寫操作的數(shù)據(jù)、地址、字節(jié)使能等信息寫入緩存內(nèi)，若未寫滿，則返回初始態(tài)。

主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)寫操作狀態(tài)如圖2所示。

1.3.2 讀操作的設(shè)計(jì)

主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的讀操作設(shè)計(jì)方法如下：

(1)主機(jī)發(fā)起讀操作后，判斷緩存是否為空；

(2)若寫隊(duì)列非空，則將寫隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)寫入緩存，若寫隊(duì)列空，判斷本次操作是否為延遲讀；

(3)若為延遲讀，重試主機(jī)，并等待后端邏輯按照讀操作地址取回?cái)?shù)據(jù)；

(4)若為立即讀，判斷本次讀操作地址是否在上一次讀操作地址的同一行內(nèi)；

(5)讀重試中，若取回有效數(shù)據(jù)后，按照單拍或Burst操作類型，將256位數(shù)據(jù)拆分成若干32位數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)，回到初始化；

(6)若立即讀操作地址在上次讀操作的同一行內(nèi)，則從緩存中取回?cái)?shù)據(jù)，按照單拍或Burst操作類型，將256位數(shù)據(jù)拆分成若干32位數(shù)據(jù)，反饋給主機(jī)，回到初始化。

主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)讀操作狀態(tài)示意如圖3所示。

1.3.3 內(nèi)部緩存控制

緩存控制由兩部分設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)：向主機(jī)發(fā)送請(qǐng)求和數(shù)據(jù)緩存、地址控制位緩存。

其中數(shù)據(jù)緩存通過(guò)DPRAM實(shí)現(xiàn)，地址控制位通過(guò)FIFO實(shí)現(xiàn)。

圖2 寫操作狀態(tài)示意圖

圖3 讀操作狀態(tài)示意圖

主機(jī)數(shù)據(jù)位寬32位，存儲(chǔ)系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)位寬為256位，通過(guò)內(nèi)建DPRAM存儲(chǔ)，將主機(jī)32位數(shù)據(jù)位寬拼接成256位數(shù)據(jù)位寬后存入DPRAM(若主機(jī)單字操作，則其余位補(bǔ)零)，待存儲(chǔ)管理與控制單元接到請(qǐng)求后，讀取該DPRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)，已完成外部主機(jī)對(duì)存儲(chǔ)管理與控制單元的數(shù)據(jù)寫操作[11-12]。

主機(jī)對(duì)存儲(chǔ)發(fā)起寫操作時(shí)，不僅要將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地發(fā)送給存儲(chǔ)系統(tǒng)，還需要將地址等關(guān)鍵控制信息發(fā)送給存儲(chǔ)。將地址、字節(jié)使能以及窗口偏移地址拼接成48位數(shù)據(jù)壓棧到FIFO內(nèi)，與數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)送給存儲(chǔ)系統(tǒng)，以保證主機(jī)讀寫數(shù)據(jù)的一致性[13-14]。

存儲(chǔ)控制狀態(tài)如圖4所示。

圖4 存儲(chǔ)控制狀態(tài)示意圖

2 結(jié) 論

通過(guò)主機(jī)接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)對(duì)外部存儲(chǔ)資源的直接讀寫訪問(wèn)，有效解決了低速低優(yōu)先級(jí)主機(jī)接口訪問(wèn)高速外部存儲(chǔ)時(shí)頻繁向外存發(fā)起請(qǐng)求，外部存儲(chǔ)頻繁仲裁而引起的效率及準(zhǔn)確率過(guò)低的問(wèn)題，大大提高了訪問(wèn)效率，保證了前端設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)端對(duì)存儲(chǔ)器的直接讀寫訪問(wèn)，通過(guò)32位寄存器，依據(jù)不同的外部存儲(chǔ)大小，選用不同有效位作為窗口結(jié)合PCI主機(jī)配置空間T1通路配置基地址寄存器，將主機(jī)對(duì)窗口的訪問(wèn)映射到外部存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)窗口映射對(duì)外部存儲(chǔ)資源的遍歷訪問(wèn)。一方面能夠在設(shè)計(jì)過(guò)程中確保整體功能的正確性，能夠以最快的時(shí)間通過(guò)主機(jī)對(duì)存儲(chǔ)的讀寫來(lái)定位問(wèn)題，保證了設(shè)計(jì)進(jìn)度及功能正確；另外，在芯片測(cè)試時(shí)也能夠提供更加直觀的存儲(chǔ)功能的判斷。然而受限于存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)位寬與主機(jī)接口數(shù)據(jù)位寬的不匹配以及存儲(chǔ)系統(tǒng)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制中主機(jī)訪問(wèn)的優(yōu)先級(jí)問(wèn)題，導(dǎo)致以往的設(shè)計(jì)中很少能夠?qū)崿F(xiàn)由外部主機(jī)直接對(duì)片外存儲(chǔ)的有效讀寫訪問(wèn)，因此該設(shè)計(jì)充分考慮了主機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的操作類型、操作順序以及存儲(chǔ)對(duì)外部讀寫訪問(wèn)的處理、競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了在不限制外部主機(jī)操作類型、操作順序以及不影響存儲(chǔ)系統(tǒng)與其余功能單元的數(shù)據(jù)交互的前提下，由主機(jī)直接訪問(wèn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的功能，解決了日漸增加的外部存儲(chǔ)資源對(duì)前端設(shè)計(jì)造成的設(shè)計(jì)隱患，極大提高了前端設(shè)計(jì)驗(yàn)證的效率，保證了前端設(shè)計(jì)功能的準(zhǔn)確性。

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Design and Implementation of Window Traversal Mechanism of

MEM Unit Accessing by Target Device

(1.Aeronautics Computing Technique Research Institute,Xi’an 710068,China;2.Aeronautics Science and Technology Key Laboratory of Integrated Circuit and Micro-system Design,Xi’an 710068,China;3.Xi’an Modern Control Technology Research Institute,Xi’an 710065,China)

The computing system based on bus-interface structure has been occupied large amount of implementation.With the huge increasing complexity of computing system and its application,the demand in chip-out MEM units has been increased either.However,the increasing of storage resources and storage function correcting or not significantly increases the difficulty of the preliminary design verification work and affects the accuracy of the system.A new windows traversal method in achieving the fully accessing to MEM units under the bus-interface-structure is proposed.This method allows the host device to access to MEM unit without any limitations in size of MEM unit and operation frequency.According to windows updating,implementing the traversal access to storage system by the host,completing verification of external storage resources functions in the early stage of system design,the veracity of design and completeness of verification would be enormously improving.

computer system;host interface;target device;windows traversal

2015-06-16

2015-09-22

時(shí)間：2016-05-05

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金(2010BD63111)

馬 超(1984-)，男，工程師，研究方向?yàn)榧呻娐吩O(shè)計(jì)與驗(yàn)證；田 澤,博士,研究員,中航首席技術(shù)專家，研究方向?yàn)镾oC設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、VLSI設(shè)計(jì)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160505.0814.004.html

TP39

A

1673-629X(2016)05-0135-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.05.029