基于Zynq SoC能快速構建完整的計算環(huán)境測試新型存儲器技術芯片

基于賽靈思 ZC706 評估套件的平臺被證實用作高通的 MRAM 測試，足夠快速靈活。

電子產業(yè)正在大力投資開發(fā)PRAM、MRAM和RRAM等新型存儲器技術。新型存儲器技術測試芯片的性能快速提高，但這種存儲器要做到能與傳統(tǒng)存儲器全面抗衡乃至取代傳統(tǒng)存儲器還需要更多的努力。

通常說來，有了新型存儲器技術的測試芯片，能夠完成制造相關的基礎測試，例如會檢查固化故障、轉換故障和地址解碼故障等。同時還有一種測試也是必需的，那就是要進行性能相關的測試，了解芯片可靠存取的速度能有多快，以及芯片存取速度如何影響整個計算系統(tǒng)性能。

為了成功進行規(guī)劃的性能測試，測試環(huán)境必須能夠生成可配置的數字波形來存取芯片。同時還要創(chuàng)建整個計算環(huán)境來測量芯片存取速度的影響。創(chuàng)建或購買測試環(huán)境、滿足上述需求有多種方法。我們在高通的團隊決定采用賽靈思 Zynq?-7000 All Programmable SoC ZC706 評估套件來打造自己的環(huán)境。

存儲器進出
DRAM、SRAM 和閃存等傳統(tǒng)存儲器技術用存儲器單元中的電荷來存儲 0 和 1。DRAM 廣泛被 PC和移動計算設備用來運行程序和存儲臨時數據。SRAM 通常用作微處理器的高速緩存存儲器和寄存器薄，同時也經常用于對功耗問題很敏感的嵌入式系統(tǒng)中。與 DRAM 和 SRAM 不同，閃存存儲器在系統(tǒng)斷電后仍能永久保存數據。閃存存儲器的運行速度比其他存儲器要慢，大量編程循環(huán)后可能會磨損。

相對于傳統(tǒng)基于電荷的存儲器技術而言，新型存儲器技術基于存儲元件的其他物理屬性。舉例來說，磁阻 RAM (MRAM) 的存儲器元件由兩個鐵磁板組成，這兩個鐵磁板由一層薄薄的絕緣層隔離。每片鐵磁板都能保有磁化屬性，一個是永久性的，另一個可有外部場改變，從而存儲數據。通過測量元件電阻即能讀取存儲的數據。MRAM 存取速度類似于 SRAM，密度類似于 DRAM。相比于閃存存儲器，MRAM 運行速度更快，而且不會因編程而被磨損。

軟件運行在 Zynq SoC 的 ARM A9 處理器上，而存儲器控制器內核則用可編程邏輯創(chuàng)建。

要求分析
在設計 MRAM 測試芯片評估方案時，我們決定采用 Zynq SoC 方法，這主要出于以下考慮：

? ZC706 開發(fā)板的 FPGA 夾層卡 (FMC) 接口通過 FMC 子卡提供進出存儲器測試芯片的高速信號發(fā)送功能。

? Zynq SoC 的可編程邏輯 (PL) 部分能構建參數化存儲器控制器內核。這對滿足測試芯片差異化存取速度的要求很重要。

? Zynq SoC 的處理系統(tǒng) (PS) 包括兩個 ARM? A9 內核，能通過軟件修改測試芯片存取速度。

? PS 也能構建完整的計算系統(tǒng)，這對滿足測試系統(tǒng)在全面計算環(huán)境下測量芯片存取速度的影響的要求很重要。

硬件和系統(tǒng)架構
芯片測試環(huán)境的硬件架構如圖 1 所示。軟件運行在 Zynq SoC 的 ARM A9 處理器上，而存儲器控制器內核用可編程邏輯創(chuàng)建。我們在 PS 和控制器內核之間建立 DMA 通道，以便在彼此之間能方便地移動大數據塊。存儲器測試芯片位于 FMC 子卡上，其通過 FMC 接口與存儲器控制器內核通信。

系統(tǒng)架構如圖 2 所示。底部三層為硬件層，頂部三層為軟件層。我們選擇 Linux 為操作系統(tǒng)，因為這是一種開源系統(tǒng)，源代碼能根據需要修改。雖然目前開發(fā)階段沒有進行修改，但今后這種新型存儲器芯片發(fā)揮獨特屬性優(yōu)勢時或許能用得上。

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圖 1 – 測試環(huán)境的硬件架構

圖中文字如下：
賽靈思 ZC706 評估板
XC7Z045 SoC
ZYNQ PS
DMA
ZYNQ PL
存儲器控制器
FMC
FMC 子卡
測試芯片

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圖 2 – 測試環(huán)境的系統(tǒng)架構

我們在應用層編寫的軟件分為兩類。一類用于配置存儲器控制器內核；另一類涉及存儲器芯片和整體系統(tǒng)性能的特性分析。