基于片内WISHBONE总线的高速缓存一致性实现

摘要：基于IP可重用的设计方法，利用WISHBONE总线协议，把两个已成功开发出的具有自主知识产权的THUMP内核在一个芯片上，实现了片上多处理器FPGA。开发重点是实现基于片内WISHBONE总线的高速缓存一致性协议。

关键词：WISHBONE总线片上多处理器高缓一致性SOCIP

清华大学嵌入式微处理器芯片设计为国家重点863项目，单芯片多处理器设计为项目的一个延伸。单芯片多处理器是提高处理器性能的有效途径，具有低耦合度、粗粒度并行性的主要特点。清华大学已成功开发出具有自主知识产权的MIPS4Kc架构的32位微处理器--THUMPl07。该处理器具有内核性能高、面积小、功耗低的优点。使其经过裁减非常适合作为单芯片多处理器的内核。

本次单芯片多处理器的设计将两个Thumpl07内核集成在一个芯片上，两个内核处于完全对等地位，实现进程级的粗粒度并行。由于已经具有可以利用的内核，开发的重点就集中在高速缓存(Cache)一致性的实现上。芯片采用了基于内部总线写更新监听的高速缓存一致性协议，具有控制逻辑简单、可扩展性好的特点。内部总线采用适合片上系统通信、高可配置性的WISHBONE总线。使用该片上总线有效地解决了IP核可移植性、设计复用的问题[2l]。

1WISHBONE总线

WISHBONE最先由Silicore公司提出，现在被移交给OpenCores组织维护。由于其开放性，现在已有不少用户群体。特别是一些免费的IP核，大多数都采用WISH-BONE标准。该总线结构具有公用的接口规范方便结构化设计，有效地解决了IP核可移植性、设计复用的问题。

WISHBON耳总线为半导体内核提供了可配置的互连方式，能够使各种内核互连起来形成片上系统；WISH-BONE总线具有很强的兼容性，提高了设计的可重用性；WISHBONE总线的接口独立于半导体技术，其互连方式既可以支持FPGA设备，也可以支持ASIC设备；WISHBONE总线协议简单、易懂。

WISHBONE总线是一种主／从接口架构的总线技术，如果具有有效的仲裁机制，总线系统可以支持多个ne／从接口；WISHBONE总线的可配置性主要体现在支持点到点、共享总线、数据流、交叉开关型的互连方式；WISHBONE总线协议既包含了一种容易使用、可靠性高、易测试、所有总线事务都可以在一个时钟周期内协同的同步传输协议，也包含了标准时钟周期的异步传输协议；WISHBONE总线的同步传输协议可以工作在一个大范围的时钟频率上。这样WISHBONE总线接口既可以与内核时钟周期同步，也可与不同的目标设备同步，时序都非常简单。此外，WISHBONE总线还具有如下特点：

·简单、紧凑的硬件逻辑接口，需要更少的逻辑门；

·支持流行的单字读／写、块读／写、读-修改-写的总线协议；

·可调整的总线和操作数位宽；

·支持大端(bigendian)和小端(1ittleendian)两种数据表示方法；

·握手协议能够控制数据传输速率；

·支持单周期数据传输；

·从接口的部分地址解码；

·根据系统需要，用户可自定义增加接口信号；

·系统包含多个MASTER接口时，用户可以自定义总线仲裁方式与算法。

图2

2实现方案

单芯片多处理器的每个内核都有分离的16KB指令高速缓存(1Cache)和16KB数据高速缓存(DCache)；指令高速缓存和数据高速缓存都采用两路组相联的映射方式；每块都包含8个字；采用虚拟地址定位、物理地址比较的寻址方法；替换方式为LBU(最近最少使用替换)。

指令高速缓存不涉及一致性问题，不多做说明。数据高速缓存采用基于监听总线的写更新一致性协议Dragonl[3]

协议状态说明见表1。

表1协议状态

状态说明

干净独占（E）只有一个缓存有这一存储块的拷贝，并且还没有被修改（主存状态也有效）。

干净修改（SC）潜在的两个或多个缓冲有这一存储块，主存不一定是最新的。

共享已修改（SM）潜在的两个或多个缓冲有这一存储块，主存不是最新的。该块在被替换时，要更新主存（写回）。一个存储块在一定时间内只能在一个缓冲内共享已修改状态。

独点已修改（M）存储块的内容已经被修改，并且只在该存储块里，发生替换需要更新主存的内容。

确定一致性协议后，单芯片多处理器的数据高速缓存单元整体设计见图1。

片内总线采用WISHBONE总线共享型连接，每个内核的数据高速缓存的控制单元都包含WISHBONE总线的一个主接口(MASTER)和一个从接口(SLAVE)；数据总线为32位；地址总线为33位，其中最高位是两个从接口的选择位；片内总线采用预先同步传输协议；仲裁方式为轮换型；片外总线接口与广泛应用的工业标准SYSAD系统总线兼容。

在UNCAHCE空间发生的读写操作，直接访问外部总线，与主存通信；在CACHE空间发生的读写操作，过程如下所述：

读缺失：当一个内核的数据高速缓存发生读缺失，由本地主接口通过片内总线向远端数据高速缓存发出读请求，远端从接口通过片内总线应答请求。如果应答有该单元数据，就由远端数据高速缓存调来一个数据块(8个字)；如果没有，本地主接口结束片内总线周期，转而访问外部总线，由主存调人数据。

写缺失：内核发生写缺失时，前半部分的操作与读缺失完全一致；只是如果缺失单元是从远端数据高速缓存调来的，由于采用基于写更新的Dragon协议，所以在完成片内总线块传输事务后还要产生一个单字写总线事务，更新远端数据高速缓存单元。

读命中：不会产生任何总线事务。

写命中：如果该单元的原来状态是SC或SM，基于写更新协议，由本地主接口通过片内总线向远端数据高速缓存发出写请求，远端从接口通过片内总线应答请求。如果应答有该单元数据，则通过一个单字写总线事务更新远端数据高速缓存单元；如果没有，结束片内总线周期。

替换：实现写回协议，只有被替换出的单元状态为SM或M状态，才通过外部总线更新主存，其他情况抛弃即可。

注意：完成上述操作后要根据DRAGON协议，更新本地和远端DCahe单元的相关状态。