高效的片上Flash加速控制器软硬件设计

发布时间：2017-05-10 01:13

  本文关键词：高效的片上Flash加速控制器软硬件设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着智能家居、可穿戴设备和物联网等概念的兴起,微控制器芯片(MCU)的应用市场越来越广阔。与此同时片上Flash逐渐取代早期的ROM,成为MCU芯片中最重要的指令存储器。但是相对于处理器来说,片上Flas h属于慢速的存储设备,制约着MCU芯片的整体性能。因此,研究如何提高片上Flash的读取速度有着重要意义。本文设计了一款高效的片上Flash加速控制器,通过软硬件技术来提高Flash的读取速度。文中首先介绍了实现Flash基本功能的控制器硬件设计。在设计中充分考虑低功耗和可测试性的设计思想,并通过优化接口信号,实现低频模式下Flash的单周期连续访问。其次,文中提出基于预取和缓存原理的加速模块设计,整合并优化出预取缓存与高速缓存两种加速方案来提升Flash读取速度。其中预取缓存方案采用位宽扩展和预取技术加速顺序指令的读取,并采用分支缓存技术,降低由非顺序指令造成的预取缺失代价。而高速缓存方案采用路预测和缓存锁定技术,减少不必要的缓存访问和替换,在提高读取速度的同时,降低系统功耗。再次,为了进一步提升Flash读取速度,本文从软件方面也提出相应的优化方法。针对缓存锁定技术,本文提出一套公式和流程来确定锁定区域。针对两种加速方案的选择,本文提出一套切换机制,使得两者在程序中既可以静态配置,也可以动态自适应切换。最后,本文通过一款SoC芯片的设计实例,进一步验证了文中提出的片上Flash力口速控制器的可行性和实用性。
【关键词】：片上Flash加速控制器 预取缓存 高速缓存 自适应
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP332
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-16
• 1.1 课题研究背景12-13
• 1.1.1 片上Flash12
• 1.1.2 片上Flash控制器12-13
• 1.2 国内外研究现状13-14
• 1.3 主要研究内容14-15
• 1.4 本文章节安排15-16
• 2 Flash存储器与SoC设计方法16-26
• 2.1 Flash的发展与原理16-17
• 2.1.1 Flash的发展16
• 2.1.2 Flash的工作原理与分类16-17
• 2.2 片上Flash时序介绍17-21
• 2.3 SoC设计方法21-25
• 2.3.1 IP设计流程22-23
• 2.3.2 片上总线协议23-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 片上Flash加速控制器26-37
• 3.1 控制器架构26-27
• 3.2 Flash擦写模块27-29
• 3.3 Flash控制逻辑模块29-33
• 3.3.1 Flash读取相关的状态机29-30
• 3.3.2 Flash擦写相关的状态机30-31
• 3.3.3 低频下的快读技术31-33
• 3.4 可测试性考虑33-34
• 3.5 低功耗考虑34-36
• 3.6 本章小结36-37
• 4 加速模块硬件设计37-49
• 4.1 加速模块整体方案架构37-38
• 4.2 高速缓存方案38-42
• 4.2.1 缓存原理38
• 4.2.2 缓存硬件优化技术38-41
• 4.2.3 高速缓存硬件实现41-42
• 4.3 预取缓存方案42-48
• 4.3.1 位宽扩展技术43
• 4.3.2 预取技术43-45
• 4.3.3 分支缓存技术45-47
• 4.3.4 预取缓存硬件实现47-48
• 4.4 本章小结48-49
• 5 加速方案软件优化49-55
• 5.1 缓存锁定区域的确定流程49-51
• 5.2 加速方案的切换机制51-54
• 5.2.1 静态切换51-52
• 5.2.2 自适应动态切换52-54
• 5.3 本章小结54-55
• 6 验证平台与实验结果55-66
• 6.1 验证平台与环境55-56
• 6.2 基本功能验证56-58
• 6.3 读取性能分析58-62
• 6.3.1 基本读取以及低频快读技术性能分析59
• 6.3.2 高频加速性能结果分析59-62
• 6.4 综合结果及分析62-65
• 6.4.1 功耗测试结果62-65
• 6.4.2 面积测试结果65
• 6.5 本章小结65-66
• 7 片上Flash加速控制器的SoC实例66-74
• 7.1 系统架构66
• 7.2 模块说明66-67
• 7.3 存储地址空间分配67-68
• 7.4 功耗管理单元68-69
• 7.5 片上Flash控制器的寄存器描述及操作流程69-72
• 7.5.1 控制器的寄存器描述69-70
• 7.5.2 控制器的操作流程70-72
• 7.6 物理版图实现72-73
• 7.7 本章小结73-74
• 8 总结与展望74-76
• 参考文献76-79
• 作者简历及在学期间所取得的科研成果79

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