Architecture and Performance Analysis of a Multi-Generation SDRAM Controller for Mixed Criticality Systems

Ecco, Leonardo Luiz

Due to their high-density and low-cost, DDR SDRAM are the prevailing choice for implementing the main memory of a computer system. Nevertheless, the aforementioned benefits come at the cost of a complex two-stage access protocol, which ultimately means that the time required to serve a memory request depends on the history of previous requests. Otherly stated, DDR SDRAMs are a stateful resource. The main goal of this dissertation is to design a controller that leverages the state of DDR SDRAMs in a mixed criticality environment. More specifically, the controller should provide good average performance for best-effort requestors without compromising timing guarantees for critical requestors. With that regard, this dissertation firstly identifies two challenges of growing relevance for the design of memory controllers for the mixed criticality domain. The first challenge is the data bus turnaround time. The second challenge is the rank-to-rank switching time and only affects multi-rank modules. After pinpointing the two aforementioned challenges, this dissertation proposes a SDRAM controller to tackle them. The proposed controller bundles read and write operations in their corresponding ranks, thus minimizing the number of data bus turnarounds and rank switching events. As a consequence, the average performance of the controller is improved. However, the bundling is carefully designed so that real-time guarantees for critical requestors can be extracted. Moreover, as it will become clear, both the operation of the controller and the corresponding analysis of the temporal properties are described in terms of a generation-independent notation. This is a desirable feature because different SDRAM generations have different architectural features and possibly, timing constraints. Finally, an extensive comparison with the related work is performed. Furthermore, trends in worst-case latency over DDR SDRAM from different speed bins and generations are presented and thoroughly discussed.

Aufgrund ihrer hohen Dichte und geringen Kosten sind DDR SDRAM die vorherrschende Wahl für die Implementierung des Hauptspeichers eines Computersystems. Die oben genannten Vorteile gehen jedoch zu Lasten eines komplexen zweistufigen Zugriffsprotokolls, was letztendlich bedeutet, dass die Zeit, die benötigt wird, um eine Speicheranforderung zu bedienen, von der Historie früherer Zugriffe abhängt. Anders ausgedrückt, DDR SDRAM sind eine zustandsabhängige Ressource, was die Umsetzung gemischter Kritikalitäten weiter erschwert, da unterschiedliche Ebenen der Kritikalität widersprüchliche Bedürfnisse haben. Das Hauptziel dieser Dissertation ist es, einen Controller zu entwickeln, der den Zustand der DDR-SDRAMs in einer gemischten Kritikalitätsumgebung nutzt. Genauer gesagt, der Controller soll eine gute durchschnittliche Leistung für best-effort Zugriffe ermöglichen, ohne die Garantien für kritische Zugriffe zu gefährden. In diesem Zusammenhang identifiziert diese Dissertation zunächst zwei Herausforderungen von wachsender Relevanz für das Design von Speichercontrollern für Systeme gemischter Kritikalität. Die erste Herausforderung ist die notwendige Zeit zur Richtungsänderung des Datenbusses. Die zweite Herausforderung ist die Rang-zu-Rang-Schaltzeit und betrifft nur Module mit mehreren Rängen. Nach dem Aufzeigen der beiden oben genannten Herausforderungen, schlägt diese Dissertation einen SDRAM Controller vor, um sie anzugehen. Der vorgeschlagene Controller bündelt Lese und Schreib Operationen in ihren entsprechenden Rängen, wodurch die Anzahl der Richtungsänderungen des Datenbusses und die Anzahl der Rangwechsel minimiert wird. Dadurch wird die durchschnittliche Leistung des Controllers verbessert. Die Bündelung ist so konzipiert, dass Echtzeit-Garantien für kritische Zugriffe abgeleitet werden können. Darüber hinaus werden, wie sich zeigen wird, sowohl das Verhalten des Controllers als auch die entsprechende Analyse der zeitlichen Eigenschaften in Form einer generationsunabhängigen Notation beschrieben. Dies ist ein wünschenswertes Merkmal, da verschiedene SDRAM Generationen unterschiedliche architektonische Merkmale und zeitliche Beschränkungen haben. Abschließend wird ein ausführlicher Vergleich mit inhaltlich verwandten Arbeiten durchgeführt. Außerdem werden Trends in der Worst-Case-Latenz von DDR SDRAM aus verschiedenen Geschwindigkeitsklassen und Generationen vorgestellt und ausführlich diskutiert.

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Ecco, Leonardo: Architecture and Performance Analysis of a Multi-Generation SDRAM Controller for Mixed Criticality Systems. 2018.

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