Customizable Memory Controller Architecture and Service Continuity for Off-Chip SDRAM Access in NoC-Based MPSoCs
Architecture De Contrôleur Mémoire Configurable et Continuité de Service Pour l'Accès à la Mémoire Externe Dans Les Systèmes Multiprocesseurs Intégrés à Base de Réseaux Sur Puce
Résumé
The ongoing advancements in VLSI technology allow System-on-Chip (SoC) to integrate many heterogeneous functions into a single chip, but still demand, because of economical constraints, a single and shared main off-chip SDRAM. Consequently, main memory system design, and more specifically the architecture of the memory controller, has become an increasingly important factor in determining the overall system performance. Choosing a memory controller design that meets the needs of the whole system is a complex issue. This requires the exploration of the memory controller architecture, and then the validation of each configuration by simulation. Although the architecture exploration of the memory controller is a key to successful system design, state of the art memory controllers are not as flexible as necessary for this task. Even if some of them present a configurable architecture, the exploration is restricted to limited sets of parameters such as queue depth, data bus size, quality-of-service level, and bandwidth distribution. Several classes of traffic co-exist in real applications, e.g. best effort traffic and guaranteed service traffic, and access the main memory. Therefore, considering the interaction between the memory subsystem and the interconnection system has become vital in today's SoCs. Many on-chip networks provide guaranteed services to traffic classes to satisfy the applications requirements. However, very few studies consider the SDRAM access within a system approach, and take into account the specificity of the SDRAM access as a target in NoC-based SoCs. This thesis addresses the topic of dynamic access to SDRAM in NoC-based SoCs. We introduce a totally customizable memory controller architecture based on fully configurable building components and design a high level cycle approximate model for it. This enables the exploration of the memory subsystem thanks to the ease of configuration of the memory controller architecture. Because of the discontinuity of services between the network and the memory controller, we also propose within the framework of this thesis an Extreme End to End flow control protocol to access the memory device through a multi-port memory controller. The simple yet novel idea is to exploit information about the memory controller status in the NoC. Experimental results show that by controlling the best effort traffic injection in the NoC, our protocol increases the performance of the guaranteed service traffic in terms of bandwidth and latency, while maintaining the average bandwidth of the best effort traffic.
L'évolution de la technologie VLSI permet aux systèmes sur puce (SoCs) d'intégrer de nombreuses fonctions hétérogènes dans une seule puce et demande, en raison de contraintes économiques, une unique mémoire externe partagée (SDRAM). Par conséquent, la conception du système de mémoire principale, et plus particulièrement l'architecture du contrôleur de mémoire, est devenu un facteur très important dans la détermination de la performance globale du système. Le choix d'un contrôleur de mémoire qui répond aux besoins de l'ensemble du système est une question complexe. Cela nécessite l'exploration de l'architecture du contrôleur de mémoire, puis la validation de chaque configuration par simulation. Bien que l'exploration de l'architecture du contrôleur de mémoire soit un facteur clé pour une conception réussite d'un système, l'état de l'art sur les contrôleurs de mémoire ne présente pas des architectures aussi flexibles que nécessaire pour cette tâche. Même si certaines d'entre elles sont configurables, l'exploration est restreinte à des ensembles limités de paramètres tels que la profondeur des tampons, la taille du bus de données, le niveau de la qualité de service et la distribution de la bande passante. Plusieurs classes de trafic coexistent dans les applications réelles, comme le trafic de service au mieux et le trafic de service garanti qui accèdent à la mémoire partagée d'une manière concurrente. En conséquence, la considération de l'interaction entre le système de mémoire et la structur d'interconnexion est devenue vitale dans les SoCs actuels. Beaucoup de réseaux sur puce (NoCs) fournissent des services aux classes de trafic pour répondre aux exigences des applications. Cependant, très peu d'études considèrent l'accès à la SDRAM avec une approche système, et prennent en compte la spécificité de l'accès à la SDRAM dans les systèmes sur puce à base de réseaux intégrés. Cette thèse aborde le sujet de l'accès à la mémoire dynamique SDRAM dans les systèmes sur puce à base de réseaux intégrés. Nous introduisons une architecture de contrôleur de mémoire totalement configurable basée sur des blocs fonctionnels configurables, et proposons un modèle de simulation associé relativement précis temporellement et à haut niveau d'abstraction. Ceci permet l'exploration du sous-système de mémoire grâce à la facilité de configuration de l'architecture du contrôleur de mémoire. En raison de la discontinuité de services entre le réseau sur puce et le contrôleur de mémoire, nous proposons également dans le cadre de cette thèse un protocole de contrôle de flux de bout en bout pour accéder à la mémoire à travers un contrôleur de mémoire multiports. L'idée, simple sur le principe mais novatrice car jamais proposée à notre connaissance, se base sur l'exploitation des informations sur l'état du contrôleur de mémoire dans le réseau intégré. Les résultats expérimentaux montrent qu'en contrôlant l'injection du trafic de service au mieux dans le réseau intégré, notre protocole augmente les performances du trafic de service garanti en termes de bande passante et de latence, tout en préservant la bande passante moyenne du trafic de service au mieux.
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