Özel doğrudan bellek erişim modülü

Abstract

Teknolojinin gelişimiyle birlikte elektronik sistemlerde ve cihazlarda performans beklentisi artmaktadır. Elektronik cihazlar üzerinde yapılan işlemler daha da karmaşıklaşırken kullanılan veri genişlikleri de artmaktadır. Bu sebeple yüksek performans beklentilerinin karşılanabilmesi için donanım kullanımı çokça tercih edilmektedir. Günümüz işlemcilerinin veri genişliğinden çok daha büyük genişliklerde giriş ve çıkış verilerine sahip karmaşık algoritmalar için algoritmaya özel donanımlar (Custom IP) tasarlanarak performansın arttırılması sağlanmaktadır. Oluşturulan algoritmaya özel tasarımlar işlemlerin bir işlemciye kıyasla çok daha hızlı yapılmasına olanak sağlar. Fakat sadece algoritmaya özel tasarımlar ile giriş verilerinin sağlanması, çıkış verilerinin yönetilmesi, dış dünya ile örneğin Ethernet, UART, PCIE gibi standart arayüzlerle haberleşmenin sağlanması gibi süreçleri yönetmek tasarım sürecini zorlaştıracağı gibi performans kaybına da sebep olabilir. Bu sebeple algoritmaya özel donanımlardan oluşan bir sistem işlemciyle yönetilir. İşlemciye bağlanan Custom IP'ler ile kırmık üstü sistem (System on Chip, SoC) oluşturulur. Oluşturulan kırmık üstü sistemde veri haberleşmesinin doğrudan işlemci üzerinden gerçekleşmesi algoritmalarda kullanılan verinin büyüklüğü göz önüne alındığında işlemcinin zamanının çoğunun veri haberleşmesi ile geçeceği anlamına gelir. Bu sebeple birden çok birimin belleğe erişebileceği doğrudan bellek erişim modülü (Direct Memory Access, DMA) yapısı kullanılır. DMA yapısı sayesinde işlemci veri haberleşmesinin içinde doğrudan yer almaktansa DMA'i yöneterek veri haberleşmesindeki yükünü hafifletmiş olur. DMA kullanılarak oluşturulacak bir SoC tasarımında işlemcinin DMA arayüzü olması gerekir. Bu da işlemci tercihi konusunda bir kısıt oluşturur. Örneğin açık kaynak kodlu bir RISC-V çekirdeği işlemci olarak kullanılmak istenirse, DMA arayüzü eklenmesi gerekir. DMA arayüzünün eklenmesi işlemcinin alanını büyüterek çalışma frekansını düşürür ve performans kaybına neden olur. Bu çalışmada işlemci seçiminde bir kısıt getirmeyen, işlem birimleri ve dış dünya ile haberleşmeyi sağlayacak, ölçeklenebilir ve geliştirilebilir bir Özel Doğrudan Bellek Erişim Modülü(ÖDBEM) tasarımı anlatılmaktadır. ÖDBEM tasarımı işlemci ile doğrudan bir bağlantı gerektirmez. İşlemci ile ÖDBEM arasındaki haberleşme bellek üzerinde belirlenmiş adresler üzerinden yapılır. İşlemci ile doğrudan bir bağlantı gerektirmediği için işlemcinin fazladan bir arayüz içermesi gerekmez. İşlemcinin belleğe erişebiliyor olması yeterlidir. Böylelikle işlemci tercihi konusunda bir kısıt getirmez. ÖDBEM ölçeklenebilir bir tasarımdır. İşlem birimleri, harici portlar ve bellek arayüzlerine sahiptir. İşlem birimleri ve harici portların sayısı, bellek arayüzünün veri genişliği değiştirilebilir. Bellek çift portlu olmalıdır. ÖDBEM işlemciden aldığı komutlar ile yönetilir. ÖDBEM, işlemci, bellek, işlem birimleri ve harici portlardan oluşan bir kırmık üstü sistemde; harici portlardan okunan veri belleğe yazılabilir, işlem birimlerinde bir işlem başlatılabilir ve sonucu belleğe veya doğrudan bir harici porta yazılabilir, işlem birimlerinin sıfırlama(reset) girişleri kontrol edilebilir, belleğin bir adresinden başka bir adresine kopyalama yapılabilir, bellekteki veri harici portlara yazılabilir. İşlem birimleri, giriş verisi alan ve çıkış üreten herhangi bir algoritmaya ait donanım gerçeklemesi olabilir. İşlem birimleri arayüzü FIFO'dur. Giriş ve çıkış verilerini yazmak için birer FIFO bulundurur. Tasarlanacak basit bir üst modül ile algoritmaya ait donanımın giriş verileri giriş FIFO'sundan okunarak algoritmaya verilir. Oluşan sonuç ise çıkış FIFO'suna yazılır. İşlem birimlerinin çıkış FIFO'sundaki veri daha önceden işlemci tarafından belirlenmiş bir adrese yazılır. Bunun için işlemcinin tekrar bir komut göndermesine gerek olmaz. Harici portlar kırmık üstü sistemin dış dünya ile bağlantısını sağlayacak Ethernet, UART, PCIE gibi fziksel portlara karşılık gelir. Harici portların arayüzü FIFO'dur. Bir giriş ve bir çıkış FIFO'su içerir. Tasarlanan bir üst modül ile harici portun giriş FIFO'sundan okunan veri fiziksel portlara yazılır. Benzer şekilde fiziksel portlardan okunan veri harici portlar çıkış FIFO'suna yazılır. Çalışma kapsamında ÖDBEM'in tasarım detayları verilmiş, donanım tanımlama dilleri ile ölçeklenebilir ve geliştirilebilir bir tasarım yapılmış, yapılan tasarım davranışsal benzetim yoluyla doğrulanmış, sentez ve gerçekleme yapılarak kaynak tüketim verileri paylaşılmış, sentez sonrası benzetim yapılmış ve doğru çalıştığı gözlemlenmiştir.