JP2005346582A - システムlsi及び画像処理装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 バスを階層化した場合に効率的に外部メモリにアクセスできるシステムLSIを提供する。
【解決手段】 バスブリッジ107,108にそれぞれキャッシュメモリ120,121を設ける。CPU101は、スキャナインターフェース114、CCD補正部113、出力画像処理部112、プリンタインターフェース111がアクセスするメモリ領域を管理し、必要に応じてキャッシュメモリ120,121の内容を無効化する等のコヒーレンシ管理を行う。
【選択図】 図1
【解決手段】 バスブリッジ107,108にそれぞれキャッシュメモリ120,121を設ける。CPU101は、スキャナインターフェース114、CCD補正部113、出力画像処理部112、プリンタインターフェース111がアクセスするメモリ領域を管理し、必要に応じてキャッシュメモリ120,121の内容を無効化する等のコヒーレンシ管理を行う。
【選択図】 図1
Description
本発明は、各種の機能が1つのLSIに統合されて搭載されたシステムLSI及びそれを備えた画像処理装置に関する。
従来、1つのLSIの中にCPUやメモリコントローラ、各種のIOインターフェース、専用ハードウェアエンジン等を内蔵したシステムLSIが実現されている。図5は、このようなシステムLSIの論理的構成例を示している。
図5において、外部メモリ503だけがシステムLSIに内蔵されておらず、他のモジュールは、全てシステムLSIに内蔵されている。そして、システムLSIの内部では、CPU501、メモリコントローラ502、PCIコントローラ、USBコントローラ、UART等のIOインターフェース505,506,…,507、特定の処理を高速に行うための専用ハードウェアエンジン508,509,…,510は、全て1つのシステムバス504により、互いにデータ送受信可能に接続されている。
しかしながら、多くの外部ピンを必要とするメモリインターフェースは、材質と実装上の問題から1つしか実装することができないため、図5のように1つのシステムバス504上に全てのモジュールを接続すると、図6に模式的に示すように、物理レイアウト上で、メモリコントローラと、そのメモリコントローラと対向するモジュールまでの長い距離に亘ってバス配線を引き廻す必要が生じる。その結果、配線遅延が増大し、バスの動作周波数を上げることが出来ないという問題がある。
この問題に対処するには、バスを階層化し、バス同士をバスブリッジにより接続する手法が考えられる(例えば特許文献1参照)。図7はこのような構成例を示している。
図7において、701はCPU、702はメモリコントローラであり、外部メモリ703へのアクセスを制御する。704はバスであり、CPU701、メモリコントローラ702を接続する。705はバスブリッジであり、バス704と次の階層のバス706とをブリッジ接続する。707および708もバスブリッジであって、バス706と、さらに次の階層のバス709、710をそれぞれブリッジ接続する。711、714はIOインターフェースである。712、713は所定の処理を専ら行う専用ハードウェアエンジンである。
このように、各階層のバスをバスブリッジにより接続することにより、各バスの負荷容量が軽減され、各バスの動作周波数を上げることができると同時に、短いバスを多段に接続して、物理的に遠距離にあるモジュール同士を接続することができる。
特開平10−91299号公報
しかしながら、このようにバスを階層化した場合、最も深い階層にあるモジュールからメモリコントローラまでのアクセス時間(レイテンシ)が増大し、該モジュールの処理性能を制限してしまうという問題がある。
また、システムLSIに多くのモジュールを内蔵すると、それら多数のモジュールから外部メモリへのアクセスが行われることにより、多くのメモリバンド幅を消費するとともに、アクセスパターンがランダムアクセスに近くなる。一方、今日の高速メモリは、連続アクセス時に最適な性能を発揮できるように作られており、ランダムアクセス時には、最大アクセス性能の半分以下のバンド幅しか供給できなくなるので、外部メモリへのアクセス頻度を低減することが望まれていた。
そこで、本発明は、バスを階層化した場合に効率的に外部メモリにアクセスできるシステムLSIを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、システムの動作を制御するプロセッサ、及び外部メモリに対するアクセスを制御するメモリコントローラが接続された第1のバスと、所定のモジュールが接続された第2のバスとが少なくとも1つのバスブリッジを介して接続されたシステムLSIにおいて、前記バスブリッジのうち少なくとも1つのバスブリッジにキャッシュメモリを設けている。
本発明によれば、少なくとも1つのバスブリッジにキャッシュメモリを設けることにより、バスを階層化した場合に効率的に外部メモリにアクセスできるシステムLSIを提供することが可能となる。
図1は、本発明の実施の形態に係るシステムLSIの構成を示すブロック図である。なお、図1に示したシステムLSIは、複写機用のシステムLSIを示しているが、本発明は、複写機以外の装置用のシステムLSIにも適用できることは言うまでもない。
図1に示したように、本システムLSI100は、階層化されたバス104,106,109,110を有している。また、1層目のバス104と2層目のバス106は、バスブリッジ105により接続され、3層目(最も深い階層)のバス109はバスブリッジ107により2層目のバス106に接続され、3層目のバス110はバスブリッジ108により2層目のバス106に接続されている。
バス104には、CPU101とメモリコントローラ102が接続されている。このCPU101は、システムLSI全体の動作を制御し、メモリコントローラ102は、外部メモリ103に対するアクセスを制御するものである。この外部メモリ103としては、例えばSDRAMが使用される。バスブリッジ107,108には、それぞれ本発明に特有なキャッシュメモリ120,121が接続されている。
バス109には、プリンタインターフェース111と出力画像処理部112とが接続されている。このプリンタインターフェース111は、外部のプリンタエンジン140に接続されている。出力画像処理部112は、プリンタエンジン140の特性に応じて画像データを加工するものである。また、バス110には、スキャナインターフェース114と、CCD補正部113とが接続されている。このスキャナインターフェース114は、外部のスキャナエンジン130に接続されている。CCD補正部113は、スキャナエンジン130から入力されたデータをスキャナエンジン130内のCCDの特性に応じて補正するものである。
次に、本実施形態に特有なキャッシュメモリ120,121について、詳細に説明する。キャッシュメモリ120,121は、共に1MBのメモリ容量であり、ライン長は4KBとなっている。また、キャッシュのデータ更新方式としては、ライトスルー方式を採用し、マッピング方式としては、ダイレクトマップ方式を採用している。従って、タグは12bit×256エントリである。また、ライト時にキャッシュミスした場合、そのライトアドレスに対応するラインが割り当てられるライトアロケート方式を採っている。
また、キャッシュヒット時のレイテンシは、1サイクルである。ミスヒット時のペナルティは、5サイクル+上位バスブリッジ遅延+上位バスアクセス時間+外部メモリアクセスレイテンシであって、概ね20〜30サイクルであり、これはキャッシュメモリを実装しない場合のアクセスレイテンシと大差ない。
また、キャッシュメモリ120は、バスブリッジ107内に備えられたレジスタにアクセスすることにより、キャッシュメモリ120の各エントリを無効化することができる。すなわち、バスブリッジ107のレジスタは、論理アドレス空間内の0xffff_a000〜0xffff_afff番地に割り当てられており(図4参照)、このうち、0xffff_a004番地に存在するレジスタにクリアコマンドをライトすることにより、キャッシュメモリ120の全てのキャッシュエントリが無効化される。この無効化は、上記のライト操作により、キャッシュメモリ120の各ラインの有効フラグビット(図2参照)が全てクリアされることにより実現される。
図2は、キャッシュメモリ120,121のデータ構成を示す概念図である。図2において、201〜209は、キャッシュのラインデータを格納するデータ領域であり、合計256エントリ分のデータ領域がある。211〜219は、それぞれデータ領域201〜209のラインデータに対応するタグデータを格納するタグ領域であり、合計256エントリ分のタグ領域がある。
221〜229は、キャッシュラインの有効フラグビットであり、合計256エントリ分の有効フラグビットがある。これら有効フラグビット221〜229は、それぞれフリップフロップで構成されており、これらフリップフロップのクリア入力に負パルスを印加することで、全ての有効フラグビットを同時にクリアすることができる。このクリア処理は、前述のように、バスブリッジ107の0xffff_a004番地のレジスタにクリアコマンドをライトすることにより、図2のクリア信号230が「0」になるように構成することで実現される。
次に、以下のS1〜S4のようなコピー処理を行う場合を例にとって、システムLSI100の動作を説明する。
S1:スキャナインターフェース114により、スキャナエンジン130からスキャンデータを読み込む。
S2:CCD補正部113により、スキャンデータの各画素データに対してCCDの特性に応じた補正を施す。
S3:出力画像処理部112により、補正後のデータに対してプリンタエンジン140の特性に応じた画像処理を施す。
S4:プリンタインターフェース111により、画像処理後のデータをプリンタエンジン140に出力する。
S1:スキャナインターフェース114により、スキャナエンジン130からスキャンデータを読み込む。
S2:CCD補正部113により、スキャンデータの各画素データに対してCCDの特性に応じた補正を施す。
S3:出力画像処理部112により、補正後のデータに対してプリンタエンジン140の特性に応じた画像処理を施す。
S4:プリンタインターフェース111により、画像処理後のデータをプリンタエンジン140に出力する。
ここで、S1〜S4の処理は、図3に示すように、1ページ分のデータを512KBのバンド単位で分割し、その512KBのバンド毎に順番に行われる。
CPU101は、まず、1バンド目のデータを処理するために、タスク管理プログラムに基づいて、スキャナインターフェース114用の出力バッファ領域として、0x1000_0000番地から0x1007_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる(図4参照)。同様に、CCD補正部113用の出力バッファ領域として、0x1010_0000番地から0x1017_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる。また、出力画像処理部112用の出力バッファ領域として、0x1020_0000番地から0x1027_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる。
S1:次に、CPU101は、タスク管理プログラムに基づいて、スキャナインターフェース114が具備するDMA開始アドレスレジスタに、スキャナインターフェース114の出力バッファ領域の1バンド目の先頭アドレスである0x1000_0000を書き込み、スキャナインターフェース114が具備するDMA転送長レジスタにデータ長として0x8_0000(バイト)を書き込む。
次に、CPU101は、タスク管理プログラムに基づいて、スキャナインターフェース114が具備する動作開始レジスタに動作開始コマンドを書き込むことにより、スキャンデータの読み込み開始をスキャナインターフェース114に指示する。この読み込み開始の指示により、スキャナインターフェース114は、1バンド分(512KB)のスキャンデータをスキャナエンジン130から読み込み、外部メモリ103に順次DMA転送して格納していく。
この際、外部メモリ103には、上記の1バンド目の先頭アドレス0x1000_0000番地から順に0x1000_0fff番地までスキャンデータが格納されていく。また、キャッシュメモリ121はライトアロケート方式を採るため、これと同時に、キャッシュメモリ121にも外部メモリ103に格納されたものと同一のスキャンデータが、ライン長(4KB)毎に格納されていく。
S2:次に、CPU101は、タスク管理プログラムに基づいて、CCD補正部113を起動する。このCCD補正部113が具備するDMA読み出し開始アドレスレジスタには、CPU101(タスク管理プログラム)により、上記の1バンド目の先頭アドレス0x1000_0000が書き込まれており、CCD補正部113は、この先頭アドレス0x1000_0000に基づいて、1バンド目のスキャンデータを読み出して、順次、上記の補正処理を施す。
なお、スキャナインターフェース114が外部メモリ103に書き込んだバンド単位(512KB)のスキャンデータは、キャッシュメモリ121の容量(1MB)の約半分であるため、CCD補正部113がキャッシュメモリ121からスキャンデータの読み出しを行った場合、必ずキャッシュヒットする。これにより、CCD補正部113は、メモリコントローラ102を介して外部メモリ103からスキャンデータを読み出す場合よりもはるかに短いレイテンシで、キャッシュメモリ121からスキャンデータを読み出すことができ、本来の性能を発揮することができる。
CCD補正部113が具備するDMA書き込み開始アドレスレジスタには、CPU101(タスク管理プログラム)により、CCD補正部113の出力バッファ領域の1バンド目の先頭アドレスである0x1010_0000が書き込まれており、CCD補正部113は、補正処理後の1バンド目のスキャンデータを0x1010_0000番地より順に外部メモリ103に格納していく。
この際、同時に、キャッシュメモリ121にも、外部メモリ103に格納されたものと同一の補正処理後のスキャンデータが、ライン長(4KB)毎に格納されていく。この場合、キャッシュメモリ121はダイレクトマップ方式で、補正処理前のスキャンデータをキャッシュメモリ121に格納する場合のインデックスアドレスと、補正処理後のスキャンデータをキャッシュメモリ121に格納する場合のインデックスアドレスとが一致するので、キャッシュメモリ121には、補正処理後のスキャンデータが補正処理前のスキャンデータと置き換わるように保持されていくことになる。
S3:次に、CPU101は、出力画像処理部112を起動する。この出力画像処理部112が具備するDMA読み出し開始アドレスレジスタには、CPU101(タスク管理プログラム)により、1バンド目の補正処理後のスキャンデータが格納された領域の先頭アドレスである0x1010_0000が書き込まれており、出力画像処理部112は、この先頭アドレスに基づいて、1バンド目の補正処理後のスキャンデータを外部メモリ103から読み出す。この読み出した補正処理後のスキャンデータは、ライン単位でキャッシュメモリ120に保持される。
ここで、キャッシュメモリ121はライトスルー方式であるため、CCD補正部113が出力した補正処理後のスキャンデータは、そのまま外部メモリ103上に格納されていることになる。
次に、出力画像処理部112は、読み出した補正処理後のスキャンデータに対し、順次、画像処理を施す。出力画像処理部112が具備するDMA書き込み開始アドレスレジスタには、CPU101(タスク管理プログラム)により、出力画像処理部112の出力バッファ領域の1バンド目の先頭アドレスである0x1020_0000が書き込まれており、出力画像処理部112は、画像処理後の1バンド目のスキャンデータを0x1020_0000番地より順に外部メモリ103に格納していく。
この際、キャッシュメモリ120はライトアロケート方式を採るため、同時に、キャッシュメモリ120にも、外部メモリ103に格納されたものと同一の画像処理後のスキャンデータが、ライン長(4KB)毎に格納されていく。この場合、キャッシュメモリ120はダイレクトマップ方式で、画像処理前のスキャンデータをキャッシュメモリ120に格納する場合のインデックスアドレスと、画像処理後のスキャンデータをキャッシュメモリ120に格納する場合のインデックスアドレスとが一致するので、キャッシュメモリ120には、画像処理後のスキャンデータが画像処理前のスキャンデータと置き換わるように保持されていくことになる。
S4:次に、CPU101は、タスク管理プログラムに基づいて、プリンタインターフェース111を起動する。プリンタインターフェース111が具備するDMA読み出し開始アドレスレジスタには、CPU101(タスク管理プログラム)により、1バンド目の画像処理後のスキャンデータが格納された領域の先頭アドレスである0x1020_0000が書き込まれており、プリンタインターフェース111は、この先頭アドレスに基づいて、1バンド目の画像処理後のスキャンデータを読み出し、プリンタエンジン140に出力していく。
この場合も、プリンタインターフェース111が読み出す画像処理後のスキャンデータの容量は、キャッシュメモリ120の容量の約半分であり、必ずキャッシュヒットするため、プリンタインターフェース111は、実際にはメモリコントローラ102を介して外部メモリ103にアクセスすることはなく、キャッシュメモリ120から全てのデータを読み出すことができる。
このようなS1〜S4のステップの処理を繰り返し行うことで、複数バンド分のスキャンデータを順次複写していく。この場合、1バンド分の処理が全て終了するまで次のバンドの処理の開始を待つ必要はなく、各ステップの処理はパイプライン的に行うことができる。
すなわち、CPU101(タスク管理プログラム)は、1バンド目の出力バッファ領域を前述のように割り当てた後、スキャナインターフェース114用の2バンド目の出力バッファ領域として、0x1008_0000番地から0x100f_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる(図4参照)。同様に、CCD補正部113用の2バンド目の出力バッファ領域として、0x1018_0000番地から0x101f_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる。また、出力画像処理部112用の2バンド目の出力バッファ領域として、0x1028_0000番地から0x102f_ffff番地までの512KB(1バンド分)の論理アドレス空間に係る領域を割り当てる。
従って、スキャナインターフェース114は、1バンド目のスキャンデータをスキャナ130から受け取ると、引き続き2バンド目のスキャンデータをスキャナ130から受け取り、1バンド目、2バンド目のスキャンデータを順次、外部メモリ103にDMA転送して格納することができる。
この転送処理は、次のようにして行われる。スキャナインターフェース114は、1バンド目のデータ転送が終了すると、その旨を割り込みによってCPU101に通知する。この通知により、CPU101は、スキャナインターフェース114が具備するDMA開始アドレスレジスタに、2バンド目に係る出力バッファ領域の先頭アドレスである0x1008_0000を書き込み、DMA転送長レジスタに0x8_0000(バイト)を書き込む。続いて、CPU101は、スキャナインターフェース114の具備する動作開始レジスタに動作開始コマンドを書き込むことにより、スキャンデータの読み込み開始をスキャナインターフェース114に指示する。
以下、CCD補正部113、出力画像処理部112、プリンタインターフェース111も同様に、1バンド目の処理が終了すると、その旨を割り込みによってCPU101に通知し、CPU101は、その通知に基づいて2バンド目の処理動作のためのレジスタ設定を行う。このようにして2バンド目の処理が行われる。このとき、キャッシュメモリ120,121は、ダイレクトマップ方式をとることと、キャッシュ容量がバンドデータの約2倍であるため、1バンド目のデータを格納するラインと2バンド目のデータを格納するラインは排他的に使用される。従って1バンド目と2バンド目のデータを処理するにあたり、キャッシュのコヒーレンシの問題は生じない。
次に、2バンド目のデータ処理が終了すると、3バンド目のデータ処理を行うことになる。この3バンド目のデータ処理時にスキャナインターフェース114、CCD補正部113、出力画像処理部112に対して割り当てられる出力バッファ領域は、1バンド目のデータ処理時に割り当てられた領域と同一である。
すなわち、スキャナインターフェース114には、0x1000_0000から0x1007_ffffまでの512KBの空間、CCD補正部113には、0x1010_0000から0x1017_ffffまでの512KBの空間、出力画像処理部112には、0x1020_0000から0x1027_ffffまでの512KBの空間に係る領域が、それぞれ出力バッファ領域として割り当てられる。
換言すれば、スキャナインターフェース114、CCD補正部113、出力画像処理部112は、それぞれ2つずつ割り当てられた出力バッファ領域をダブルバッファとして交互に使用することにより、コピー処理に係る各自の処理をパイプライン的に実行していく。
この際、キャッシュメモリ120,121においても、容量がバンドデータの2倍であるため、ダブルバッファ的に使用される。ただし、3バンド目のデータ処理を開始するにあたり、キャッシュのコヒーレンシに注意を払う必要がある。
すなわち、出力画像処理部112は、3バンド目のデータを0x1010_0000番地より読み出すが、これはキャッシュヒットする。なぜなら、このときキャッシュメモリ120には、出力画像処理部112が1バンド目のデータを処理した際に出力バッファ領域として使用した0x1020_0000番地〜0x1027_ffff番地のデータ、すなわち1バンド目の画像処理に係るデータのコピーが保持されているからである。
ところが、出力画像処理部112は、実際にはCCD補正部113が処理した3バンド目の補正処理後のスキャンデータを読み込む必要があり、この3バンド目の補正処理後のスキャンデータは、外部メモリ103に順次格納されている。従って、出力画像処理部112が3バンド目の処理を行う場合は、出力画像処理部112が3バンド目のデータ処理を開始する前にキャッシュメモリ120の内容を無効化することにより、出力画像処理部112が0x1010_0000番地から順に読み出す際にキャッシュヒットせず、外部メモリ103から正しいデータを読み込むようにする必要がある。
このキャッシュメモリ120の無効化処理は、CPU101が行う。すなわち、CPU101上で実行されるタスク管理プログラムは、自身の管理するアドレス情報に基づいて前記コヒーレンシの問題を検出すると、バスブリッジ107が具備する0xffff_a004番地に存在するレジスタにクリアコマンドをライトすることにより、キャッシュメモリ120の全てのエントリを無効化する。
このようなキャッシュメモリ120の無効化処理を、3バンド目以降の奇数番目のバンドを処理する際に行うことにより、出力画像処理部112は、正しいデータを読み込むことが可能となる。
以上説明したように、本実施の形態では、バスブリッジ107,108にそれぞれキャッシュメモリ120,121を設けたので、システムLSIにおいて、バスの配線遅延を低減するためバスを階層化した場合にも、深い階層にあるモジュール(出力画像処理部112、CCD補正部113、スキャナインターフェース114)が外部メモリ103にアクセスする際のレイテンシの増加を抑え、これらモジュールの性能を損なうことなく動作させることができ、また、システムLSIにおける外部メモリ103へのアクセス頻度を低減することができるなど、効率的に外部メモリ103にアクセスすることが可能となる。
なお、本発明は、上記の実施の形態に限定されることなく、例えば、上記の実施の形態のように、容量1MB、ライン長4KB、ライトスルー方式でかつダイレクトマップ方式のキャッシュメモリを用いることなく、それ以外の方式のキャッシュメモリを用いることも可能である。
また、キャッシュメモリは、少なくとも1つのバスブリッジに設ければよい。換言すれば、キャッシュメモリは、全てのバスブリッジに設ける、或いは1つバスブリッジに設けるなど、所定のバスブリッジに任意に設けることができる。さらに、システムLSIに内蔵されるCPUの数も任意である。
100…システムLSI、101…CPU、102…メモリコントローラ、103…外部メモリ、104,106,109,110…バス、105,107,108…バスブリッジ、111…プリンタインターフェース、112…出力画像処理部、113…CCD補正部、114…スキャナインターフェース、120,121…キャッシュメモリ
Claims (7)
- システムの動作を制御するプロセッサ、及び外部メモリに対するアクセスを制御するメモリコントローラが接続された第1のバスと、所定のモジュールが接続された第2のバスとが少なくとも1つのバスブリッジを介して接続されたシステムLSIにおいて、
前記バスブリッジのうち少なくとも1つのバスブリッジにキャッシュメモリを設けたことを特徴とするシステムLSI。 - 前記第2のバスを複数有することを特徴とする請求項1に記載のシステムLSI。
- 前記プロセッサは、前記モジュール、及び外部メモリを用いて所定の処理を行う場合、前記キャッシュメモリのコヒーレンシ管理を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のシステムLSI。
- 前記プロセッサは、前記モジュール、及び外部メモリを用いて所定の処理を行う場合、前記キャッシュメモリ、外部メモリをダブルバッファとして利用するようにメモリ領域を管理することを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のシステムLSI。
- 前記第2のバスには、DMA機能を備えるIOインターフェース制御手段が接続されることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のシステムLSI。
- 前記第2のバスには、DMA機能を備えるハードウェアエンジンが接続されることを特徴とする請求項1〜4の何れかに記載のシステムLSI。
- 請求項1〜6の何れかに記載のシステムLSIと、該システムLSIの前記第2のバスにIOインターフェースを介して接続したスキャナ部とプリンタ部とを有することを特徴とする画像処理装置。
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