基于片內(nèi)WISHBONE總線的高速緩存一致性實(shí)現(xiàn)

摘要：基于IP可重用的設(shè)計(jì)方法，利用WISHBONE總線協(xié)議，把兩個(gè)已成功開發(fā)出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的THUMP內(nèi)核在一個(gè)芯片上，實(shí)現(xiàn)了片上多處理器FPGA。開發(fā)重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)基于片內(nèi)WISHBONE總線的高速緩存一致性協(xié)議。

關(guān)鍵詞：WISHBONE總線 片上多處理器 高緩一致性 SOC IP

清華大學(xué)嵌入式微處理器芯片設(shè)計(jì)為國家重點(diǎn)863項(xiàng)目，單芯片多處理器設(shè)計(jì)為項(xiàng)目的一個(gè)延伸。單芯片多處理器是提高處理器性能的有效途徑，具有低耦合度、粗粒度并行性的主要特點(diǎn)。清華大學(xué)已成功開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的MIPS 4Kc架構(gòu)的32位微處理器--THUMPl07。該處理器具有內(nèi)核性能高、面積小、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。使其經(jīng)過裁減非常適合作為單芯片多處理器的內(nèi)核。

本次單芯片多處理器的設(shè)計(jì)將兩個(gè)Thumpl07內(nèi)核集成在一個(gè)芯片上，兩個(gè)內(nèi)核處于完全對(duì)等地位，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程級(jí)的粗粒度并行。由于已經(jīng)具有可以利用的內(nèi)核，開發(fā)的重點(diǎn)就集中在高速緩存(Cache)一致性的實(shí)現(xiàn)上。芯片采用了基于內(nèi)部總線寫更新監(jiān)聽的高速緩存一致性協(xié)議，具有控制邏輯簡單、可擴(kuò)展性好的特點(diǎn)。內(nèi)部總線采用適合片上系統(tǒng)通信、高可配置性的WISHBONE總線。使用該片上總線有效地解決了IP核可移植性、設(shè)計(jì)復(fù)用的問題[2l]。

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1 WISHBONE總線

WISHBONE最先由Silicore公司提出，現(xiàn)在被移交給OpenCores組織維護(hù)。由于其開放性，現(xiàn)在已有不少用戶群體。特別是一些免費(fèi)的IP核，大多數(shù)都采用WISH-BONE標(biāo)準(zhǔn)。該總線結(jié)構(gòu)具有公用的接口規(guī)范方便結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，有效地解決了IP核可移植性、設(shè)計(jì)復(fù)用的問題。

WISHBON耳總線為半導(dǎo)體內(nèi)核提供了可配置的互連方式，能夠使各種內(nèi)核互連起來形成片上系統(tǒng)；WISH-BONE總線具有很強(qiáng)的兼容性，提高了設(shè)計(jì)的可重用性；WISHBONE總線的接口獨(dú)立于半導(dǎo)體技術(shù)，其互連方式既可以支持FPGA設(shè)備，也可以支持ASIC設(shè)備；WISHBONE總線協(xié)議簡單、易懂。

WISHBONE總線是一種主／從接口架構(gòu)的總線技術(shù)，如果具有有效的仲裁機(jī)制，總線系統(tǒng)可以支持多個(gè)ne／從接口；WISHBONE總線的可配置性主要體現(xiàn)在支持點(diǎn)到點(diǎn)、共享總線、數(shù)據(jù)流、交叉開關(guān)型的互連方式；WISHBONE總線協(xié)議既包含了一種容易使用、可靠性高、易測(cè)試、所有總線事務(wù)都可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)協(xié)同的同步傳輸協(xié)議，也包含了標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期的異步傳輸協(xié)議；WISHBONE總線的同步傳輸協(xié)議可以工作在一個(gè)大范圍的時(shí)鐘頻率上。這樣WISHBONE總線接口既可以與內(nèi)核時(shí)鐘周期同步，也可與不同的目標(biāo)設(shè)備同步，時(shí)序都非常簡單。此外，WISHBONE總線還具有如下特點(diǎn)：

·簡單、緊湊的硬件邏輯接口，需要更少的邏輯門；

·支持流行的單字讀／寫、塊讀／寫、讀-修改-寫的總線協(xié)議；

·可調(diào)整的總線和操作數(shù)位寬；

·支持大端(big endian)和小端(1ittle endian)兩種數(shù)據(jù)表示方法；

·握手協(xié)議能夠控制數(shù)據(jù)傳輸速率；

·支持單周期數(shù)據(jù)傳輸；

·從接口的部分地址解碼；

·根據(jù)系統(tǒng)需要，用戶可自定義增加接口信號(hào)；

·系統(tǒng)包含多個(gè)MASTER接口時(shí)，用戶可以自定義總線仲裁方式與算法。

圖2

2 實(shí)現(xiàn)方案

單芯片多處理器的每個(gè)內(nèi)核都有分離的16KB指令高速緩存(1Cache)和16KB數(shù)據(jù)高速緩存(DCache)；指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存都采用兩路組相聯(lián)的映射方式；每塊都包含8個(gè)字；采用虛擬地址定位、物理地址比較的尋址方法；替換方式為LBU(最近最少使用替換)。

指令高速緩存不涉及一致性問題，不多做說明。數(shù)據(jù)高速緩存采用基于監(jiān)聽總線的寫更新一致性協(xié)議Dragonl[3]

協(xié)議狀態(tài)說明見表1。

表1 協(xié)議狀態(tài)

　狀 態(tài) 說 明

干凈獨(dú)占（E）　 只有一個(gè)緩存有這一存儲(chǔ)塊的拷貝，并且還沒有被修改（主存狀態(tài)也有效）。　
干凈修改（SC）　 潛在的兩個(gè)或多個(gè)緩沖有這一存儲(chǔ)塊，主存不一定是最新的?！?br /> 共享已修改（SM） 潛在的兩個(gè)或多個(gè)緩沖有這一存儲(chǔ)塊，主存不是最新的。該塊在被替換時(shí)，要更新主存（寫回）。一個(gè)存儲(chǔ)塊在一定時(shí)間內(nèi)只能在一個(gè)緩沖內(nèi)共享已修改狀態(tài)?！?br /> 獨(dú)點(diǎn)已修改（M） 存儲(chǔ)塊的內(nèi)容已經(jīng)被修改，并且只在該存儲(chǔ)塊里，發(fā)生替換需要更新主存的內(nèi)容?！?/p>

確定一致性協(xié)議后，單芯片多處理器的數(shù)據(jù)高速緩存單元整體設(shè)計(jì)見圖1。

片內(nèi)總線采用WISHBONE總線共享型連接，每個(gè)內(nèi)核的數(shù)據(jù)高速緩存的控制單元都包含WISHBONE總線的一個(gè)主接口(MASTER)和一個(gè)從接口(SLAVE)；數(shù)據(jù)總線為32位；地址總線為33位，其中最高位是兩個(gè)從接口的選擇位；片內(nèi)總線采用預(yù)先同步傳輸協(xié)議；仲裁方式為輪換型；片外總線接口與廣泛應(yīng)用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SYSAD系統(tǒng)總線兼容。

在UNCAHCE空間發(fā)生的讀寫操作，直接訪問外部總線，與主存通信；在CACHE空間發(fā)生的讀寫操作，過程如下所述：

讀缺失：當(dāng)一個(gè)內(nèi)核的數(shù)據(jù)高速緩存發(fā)生讀缺失，由本地主接口通過片內(nèi)總線向遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存發(fā)出讀請(qǐng)求，遠(yuǎn)端從接口通過片內(nèi)總線應(yīng)答請(qǐng)求。如果應(yīng)答有該單元數(shù)據(jù)，就由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存調(diào)來一個(gè)數(shù)據(jù)塊(8個(gè)字)；如果沒有，本地主接口結(jié)束片內(nèi)總線周期，轉(zhuǎn)而訪問外部總線，由主存調(diào)人數(shù)據(jù)。

寫缺失：內(nèi)核發(fā)生寫缺失時(shí)，前半部分的操作與讀缺失完全一致；只是如果缺失單元是從遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存調(diào)來的，由于采用基于寫更新的Dragon協(xié)議，所以在完成片內(nèi)總線塊傳輸事務(wù)后還要產(chǎn)生一個(gè)單字寫總線事務(wù)，更新遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存單元。

讀命中：不會(huì)產(chǎn)生任何總線事務(wù)。

寫命中：如果該單元的原來狀態(tài)是SC或SM，基于寫更新協(xié)議，由本地主接口通過片內(nèi)總線向遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存發(fā)出寫請(qǐng)求，遠(yuǎn)端從接口通過片內(nèi)總線應(yīng)答請(qǐng)求。如果應(yīng)答有該單元數(shù)據(jù)，則通過一個(gè)單字寫總線事務(wù)更新遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存單元；如果沒有，結(jié)束片內(nèi)總線周期。

替換：實(shí)現(xiàn)寫回協(xié)議，只有被替換出的單元狀態(tài)為SM或M狀態(tài)，才通過外部總線更新主存，其他情況拋棄即可。

注意：完成上述操作后要根據(jù)DRAGON協(xié)議，更新本地和遠(yuǎn)端DCahe單元的相關(guān)狀態(tài)。

3 總線事務(wù)時(shí)序分析

由前部分的說明發(fā)現(xiàn)在內(nèi)部總線上可以產(chǎn)生三種類型的總線事務(wù)：讀缺失時(shí)，塊傳輸總線事務(wù)；SM或SC狀態(tài)寫命中時(shí)，發(fā)生單宇寫總線事務(wù)；寫缺失時(shí)，先是一個(gè)塊傳輸總線事務(wù)而后在本地寫操作完成后，一個(gè)單字寫總線事務(wù)更新遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)高速緩存單元。以下是塊傳輸和單字寫總線周期具體的時(shí)序分析，下文提到的具體信號(hào)其意義可以查閱參考文獻(xiàn)[1]。

塊傳輸時(shí)序：主接口通過聲明CYC_O申請(qǐng)總線的使用權(quán)，同時(shí)也給出STB_O、CTI_0(010)、WE_O(低電平)和ADR_O；經(jīng)過若干時(shí)鐘周期等待后，如果遠(yuǎn)端從接口給出ACK_I信號(hào)，同時(shí)給出的SHARE_I信號(hào)為低電平(說明遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存沒有所需要的數(shù)據(jù)塊，．SHARE_I為自定義的信號(hào))，這時(shí)主接口忽略DAT-I信號(hào)，下一個(gè)時(shí)鐘周期撤銷CYC_O信號(hào)，結(jié)束片內(nèi)總線周期；如果給出AClI信號(hào)的同時(shí)，SHARE_I信號(hào)為高電平(說明遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存有所需要的數(shù)據(jù)塊)，接收DAT-I上的數(shù)據(jù)；而后7個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，每個(gè)時(shí)鐘周期ADR_O數(shù)據(jù)加4，DAII上的數(shù)據(jù)根據(jù)地址相應(yīng)地變化，在第7個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘周期CTI_O變?yōu)?11，告訴遠(yuǎn)端從接口這是最后一個(gè)傳輸時(shí)鐘周期，下一個(gè)時(shí)鐘周期：降完成這個(gè)總線事務(wù)；最后一個(gè)時(shí)鐘周期主接口撤銷CYC_O信號(hào)，結(jié)束片內(nèi)總線周期。

內(nèi)塊傳輸時(shí)序見圖2。

單字寫總線周期：主接口通過聲明CYC_O申請(qǐng)總線的使用權(quán)，同時(shí)也給出STB_O、CTI_O(111)、WE_O(高電子)、ADlO和DAT-0；經(jīng)過若干時(shí)鐘周期等待后，如果遠(yuǎn)端從接口給出ACK_I信號(hào)， 同時(shí)給出的SHARE信號(hào)為低電子(說明遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存沒有所需要的數(shù)_I據(jù)塊)，主接口下一個(gè)時(shí)鐘周期撤銷CYC_O信號(hào)，結(jié)束片內(nèi)總線周期；如果給出ACK_I信號(hào)的同時(shí)，SHARK-I信號(hào)為高電子(說明遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存有所需要的數(shù)據(jù)塊)，說明從接口已經(jīng)用DAT-O上的數(shù)據(jù)更新了相應(yīng)的數(shù)據(jù)單元，下一個(gè)時(shí)鐘周期撤銷CYC_O信號(hào)，結(jié)束片內(nèi)總線周期。

單字寫時(shí)序見圖3。

塊傳輸總線事務(wù)時(shí)序圖2，單字寫總線事務(wù)時(shí)序圖3中WAIT表示主接口等待總線仲裁和從接口的應(yīng)答，需若干時(shí)鐘周期，最快的情況下只要一個(gè)時(shí)鐘周期。 總線仲裁：如果兩個(gè)數(shù)據(jù)高速緩存的主接口同時(shí)請(qǐng)求，由仲裁單元決定哪個(gè)主接口可以使用片內(nèi)總線，仲裁的優(yōu)先級(jí)算法是輪換法。數(shù)據(jù)高速緩存的主接口，在聲明CYC_O申請(qǐng)總線后，如果AClI一直是低電平無效，但同時(shí)該數(shù)據(jù)高速緩存從接口的CYC_I信號(hào)有效，說明數(shù)據(jù)高速緩存主接口沒有得到總線使用權(quán)，主接口撤銷CYC_O信號(hào)，該數(shù)據(jù)高速緩存響應(yīng)從接口的操作，操作完成后，主接口再次聲明CYC_O信號(hào)請(qǐng)求總線；相反，如果數(shù)據(jù)高速緩存主接口的ACK_I信號(hào)高電平有效，說明得到了總線使用權(quán)，可以使用總線。

綜上所述，片內(nèi)總線采用WISHBONE總線地址增量的傳輸方式，與內(nèi)核時(shí)鐘同步，最快可以在9個(gè)時(shí)鐘周期從另一個(gè)數(shù)據(jù)高速緩存調(diào)來一個(gè)塊(8個(gè)宇)的內(nèi)容，可在2個(gè)時(shí)鐘周期更新遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)高速緩存的一個(gè)相關(guān)單元；數(shù)據(jù)高速緩存實(shí)現(xiàn)寫回、寫更新機(jī)制，減少了向外部總線寫操作的頻度。該結(jié)構(gòu)具有可擴(kuò)展性，只要把片內(nèi)WISHBONE·總線的地址線的位數(shù)擴(kuò)展(用于選擇多個(gè)從接口)就可以把多個(gè)內(nèi)核集成在該芯片上，協(xié)議無需變化。該種體系結(jié)構(gòu)運(yùn)行兩個(gè)耦合度很低的程序，性能最好。

該方案利用WISHBONE總線，基于監(jiān)聽總線的寫更新一致性協(xié)議，把兩個(gè)IP核集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)了單芯片多處理器結(jié)構(gòu)的FPGA。該體系結(jié)構(gòu)采用開放的片上總線標(biāo)準(zhǔn)，具有公用的主從接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)了IP核可移植性，具有設(shè)計(jì)可復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)。