摘 要：文章中提出了一種應(yīng)用于FPGA 的嵌入式可配置雙端口的塊存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器包括與其他電路的布線(xiàn)接口、可配置邏輯、可配置譯碼、高速讀寫(xiě)電路。在編程狀態(tài)下，可對(duì)所有存儲(chǔ)單元進(jìn)行清零，且編程后為兩端口獨(dú)立的雙端存儲(chǔ)器。當(dāng)與FPGA 其他邏輯塊編程連接時(shí)，能實(shí)現(xiàn)FIFO 等功能?；?.5V 電源電壓、chart 0.22 μm CMOS 單多晶五鋁工藝設(shè)計(jì)生產(chǎn)，流片結(jié)果表明滿(mǎn)足最高工作頻率200MHz，可實(shí)現(xiàn)不同位數(shù)存儲(chǔ)器功能。
1 引言
對(duì)于邏輯芯片的嵌入存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，嵌入式SRAM 是最常用的一種，其典型的應(yīng)用包括片上緩沖器、高速緩沖存儲(chǔ)器、寄存器堆等。除非用到某些特殊的結(jié)構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)的六管單元（6T）SRAM 對(duì)于邏輯工藝有著很好的兼容性。對(duì)于小于2Mb 存儲(chǔ)器的應(yīng)用，嵌入式SRAM 可能有更好的成本效率并通常首先考慮。
Xilinx 公司SRAM型FPGA 主要由配置存儲(chǔ)器、布線(xiàn)資源、可編程I/O、可編程邏輯單元CLB、塊存儲(chǔ)器BRAM 和數(shù)字時(shí)鐘管理模塊組成。它包含了分布式RAM，位于CLB中。每個(gè)CLB包含了16 × 1bit的SRAM結(jié)構(gòu)。BRAM的加入既增加了RAM的容量，也可構(gòu)成大型LUT，更完善了CLB 的功能。
2 BRAM塊劃分
現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器容量的存儲(chǔ)速率要求越來(lái)越高，讀訪問(wèn)時(shí)間就是一個(gè)重要參數(shù)，它是從地址信號(hào)的出現(xiàn)到存儲(chǔ)在該地址上的數(shù)據(jù)在輸出端出現(xiàn)的時(shí)間延遲。提高BRAM 讀取速度的一個(gè)有效辦法是減小位線(xiàn)和字線(xiàn)上的總負(fù)載電容，這可以通過(guò)減少連接在同一字線(xiàn)和位線(xiàn)上的存儲(chǔ)單元數(shù)目來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用存儲(chǔ)陣列分塊技術(shù)。本電路采用設(shè)計(jì)多個(gè)BRAM的方法，每個(gè)BRAM都有自己的譯碼電路、敏感放大器和數(shù)據(jù)通道，各個(gè)BRAM 獨(dú)立工作，每個(gè)BRAM 的讀取時(shí)間得到了大大提高。
3 BRAM塊設(shè)計(jì)
3.1 BRAM與布線(xiàn)資源接口
FPGA 中每個(gè)BRAM塊都嵌在內(nèi)部連線(xiàn)結(jié)構(gòu)中，與BRAM 直接相連的有RAMLINE、VLONG 和GLOBAL。左邊32根RAMLINE提供BRAM的地址輸入，也可以提供控制信號(hào)（CLK、WE、ENA、RST）的輸入。左邊兩組16 根RAMLINE 一起布線(xiàn)提供BRAM雙端口的數(shù)據(jù)輸入，右邊兩組RAMLINE提供BRAM雙端口數(shù)據(jù)輸出通道。4 根GLOBLE全局時(shí)鐘線(xiàn)優(yōu)化用作時(shí)鐘輸入，提供較短的延遲和最小的失真。VLONG也被專(zhuān)門(mén)用作BRAM中WE、ENA、RST的控制輸入。RAMLINE 為BRAM專(zhuān)有布線(xiàn)，如從水平方向的SINGLE、UNIHEX、BIHEX通過(guò)可編程開(kāi)關(guān)矩陣PSM 把信號(hào)輸送到RAMLINE 上，進(jìn)而送到BRAM 用作地址、數(shù)據(jù)。而B(niǎo)RAM 的輸出也通過(guò)RAMLINE最終送到HLONG上。
圖1 BRAM周?chē)季€(xiàn)
相鄰BRAM 的RAMLINE 也可通過(guò)三態(tài)門(mén)連到下一級(jí)的RAMLINE，于是整列中的BRAM 可共享RAMLINE 上的數(shù)據(jù)。每個(gè)BRAM與FPGA其他電路的相連主要通過(guò)水平方向的4 組主要互連線(xiàn)完成。
3.2 BRAM內(nèi)部設(shè)計(jì)
BRAM為真正的雙端口RAM，兩個(gè)端口完全獨(dú)立，每個(gè)端口可以配置為讀寫(xiě)端口，并可以把BRAM配置成特定的數(shù)據(jù)寬度。
3.2.1 可配置數(shù)據(jù)位寬實(shí)現(xiàn)方法
配置邏輯中三位控制信號(hào)WIDTH_SEL<0∶2>連到BRAM中，同時(shí)對(duì)地址寬度、數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行控制。
由于BRAM可以實(shí)現(xiàn)1、2、4、8、16 位的任意位寬，所以地址總線(xiàn)寬度、數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度都必須滿(mǎn)足其中任意一種模式下的要求。于是設(shè)計(jì)時(shí)使地址總線(xiàn)寬度為各種模式下的最大值，即1位時(shí)的地址寬度<11∶0>，其他模式下可使不用的地址位使能無(wú)效，進(jìn)而獲得所需的地址位。數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度也設(shè)置為各種情況下的最大值，即16 位時(shí)的數(shù)據(jù)寬度<15∶0>，其他情況下選擇有用的數(shù)據(jù)位進(jìn)行存儲(chǔ)。
表1可見(jiàn)WIDTH_SEL<0∶2>對(duì)地址使能的控制，主要在于對(duì)地址<11∶8>的控制，其他位地址<7∶0>則一直有效。
表1 不同數(shù)據(jù)位寬的地址使能
由WIDTH_SEL<0∶2>另外譯碼產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)控制信號(hào)，分別為S_1、S_2、S_4、S_8、S_16 控制數(shù)據(jù)如何分配到位線(xiàn)上。這當(dāng)中* 根位線(xiàn)實(shí)行了分片，每片4 根：
S_1有效：DI<0>可分配到16片中的任何一片上。
S_2有效：DI<0∶1>可分配到<0∶1>、<2∶3>、<4∶5>?任何相鄰兩片上，每片1 位數(shù)據(jù)。
S_4有效：DI<0∶3>可分配到<0∶3>、<4∶7>、<8∶11>、<12∶15>任何相鄰四片上，每片1 位數(shù)據(jù)。
S_8 有效：DI<0∶7>可分配到<0∶7>或<8∶15> 8片上，每片1 位數(shù)據(jù)。
S_16 有效：DI<0∶15>剛好分配到16片上，每片1 位數(shù)據(jù)。
至于上述究竟存儲(chǔ)到哪些片上以及具體存儲(chǔ)到片內(nèi)哪根位線(xiàn)上則由列譯碼控制。
3.2.2 譯碼控制
行譯碼采用了常用的3-8 譯碼器，3-8 譯碼器內(nèi)由與門(mén)組成。第一級(jí)用兩個(gè)3-8 譯碼器，輸入端接入行地址ADDR<5∶0>，第二級(jí)用64 個(gè)與門(mén)把第一級(jí)譯碼進(jìn)一步譯出來(lái)，可實(shí)現(xiàn)64 行中選出1 行。
圖2 64 選1 行譯碼
列譯碼相對(duì)較復(fù)雜，首先將列地址分為兩組，一組用于片選譯，一組用于片內(nèi)譯碼。片選地址由ADDR<11∶8>組成，片內(nèi)譯碼由ADDR<7∶6>組成。
片選地址譯碼由地址和地址使能組成，而地址使能則是由WIDTH_SEL<0∶2>配置決定的。
圖3 片選譯碼
譯碼所得的A<11∶8>_DEC<0∶15>即可實(shí)現(xiàn)片選存儲(chǔ)。當(dāng)配置為1 位時(shí)，4 位地址均有效，譯出的16位中只有1 位有效，只能選擇16 片中的1 片。當(dāng)配置為2 位時(shí)，ADDR<11>使能無(wú)效，譯出16位中有連續(xù)2 位有效，能選擇16 片中連續(xù)2 片。當(dāng)配置為4 位時(shí)，譯出16 位中有連續(xù)4 位有效，能選擇16 片中連續(xù)4 片。配置為8 位就能選擇16 片中的上8 片或下8 片。配置為16 位，4 個(gè)地址均無(wú)效，譯出的16 位全有效，16 片全選。經(jīng)過(guò)了片選的一級(jí)譯碼，列譯碼還需經(jīng)過(guò)第二級(jí)的片內(nèi)譯碼。
圖4 片內(nèi)譯碼
A<11∶8>_DEC與A7 譯碼均為低有效，A6譯碼為高有效。之所以能夠用或門(mén)譯碼，是因?yàn)闆](méi)被譯碼的一對(duì)BL 和BLN 位線(xiàn)上的數(shù)據(jù)是不會(huì)被寫(xiě)入存儲(chǔ)單元的，如A7<0>為1，A<11∶8>_DEC為1，BL<0>與BLN<0>均為1，即使字線(xiàn)打開(kāi)了，它們也是不會(huì)被寫(xiě)入存儲(chǔ)陣列的。而被譯碼選中的一對(duì)位線(xiàn)，BL與BLN 互補(bǔ)，它們上的數(shù)據(jù)即可被寫(xiě)入存儲(chǔ)單元。
3.2.3 位線(xiàn)充電電路
對(duì)位線(xiàn)的充電共有兩對(duì)充電管和一對(duì)上拉管，寬長(zhǎng)比在設(shè)計(jì)上也是有講究的。上拉管一直開(kāi)啟，為倒比管。柵極接平衡管的M1 和M2 時(shí)序要求較高，因?yàn)樗鼈兊膶掗L(zhǎng)比較大，為主要充電管。在BRAM總使能信號(hào)ENA和時(shí)鐘CLK有效時(shí)工作，進(jìn)行預(yù)充電。在CLK 下降沿，M1 和M2 短暫關(guān)閉可執(zhí)行讀操作。M1、M2和平衡管都在Pre1_BL信號(hào)控制下工作。
Pre1_BL 需在數(shù)據(jù)線(xiàn)與位線(xiàn)之間的開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)關(guān)閉，不影響數(shù)據(jù)的讀操作。Pre1_BL信號(hào)受到數(shù)據(jù)線(xiàn)與位線(xiàn)的開(kāi)關(guān)管控制信號(hào)A 的約束，圖4 的結(jié)構(gòu)即可避免Pre1_BL與A的時(shí)序沖突，在A有效時(shí)，Pre1_BL無(wú)效，且當(dāng)A 關(guān)閉時(shí)，Pre1_BL 延遲開(kāi)啟。
而M3 和M4 管則由Pre2_BL信號(hào)控制，Pre2_BL由BRAM全局信號(hào)ENA、CLK 和WE 一起控制。由于BRAM 在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，也可鏡像地輸出寫(xiě)入的數(shù)據(jù)，即也做了讀操作。為了更好地在寫(xiě)入時(shí)也讀出，且滿(mǎn)足頻率要求，有必要增加這一充電管。
圖5 Pre1_BL 信號(hào)產(chǎn)生電路
圖6 位線(xiàn)充電電路
4 BRAM應(yīng)用
作為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器，BRAM 除了實(shí)現(xiàn)一般的存儲(chǔ)器功能外，還可實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)寬度的存儲(chǔ)，且可用作ROM，以實(shí)現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。當(dāng)初始化了BRAM后，一組地址輸入就對(duì)應(yīng)了一組數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)數(shù)據(jù)和地址的對(duì)應(yīng)關(guān)系，就能實(shí)現(xiàn)一定的函數(shù)功能，BRAM 之所以能實(shí)現(xiàn)函數(shù)邏輯，原因是它擁有足夠的存儲(chǔ)單元，可以把邏輯函數(shù)所有可能的結(jié)果預(yù)先存入到存儲(chǔ)單元中。如實(shí)現(xiàn)4 × 4 二進(jìn)制乘法器：
即由地址來(lái)查找數(shù)據(jù)，如同LUT。在FPGA 中，還可用BRAM來(lái)實(shí)現(xiàn)FIFO中的存儲(chǔ)體模塊，CLB實(shí)現(xiàn)控制邏輯，設(shè)計(jì)緊湊，小巧靈活。
圖7 4 位乘法器
5 結(jié)論
如今系統(tǒng)越來(lái)越高級(jí)，數(shù)字電路也高度集成，存儲(chǔ)器也越來(lái)越多地應(yīng)用于嵌入式芯片中。本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于FPGA 的嵌入式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，符合一般的雙端SRAM 功能，且具有FPGA 功能塊的可配置選擇，靈活性很高。