一種基于FPGA 的嵌入式塊SRAM 的設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種基于FPGA的嵌入式塊SRAM的設(shè)計-設(shè)計應(yīng)用摘要：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器。該存儲器包括與其他電路的布線接口、可配置邏輯、可配置譯碼、高速讀寫電路。在編程狀態(tài)下，可對所有存儲單元進(jìn)行清零，且編程后為兩端口獨立的雙端存儲器。當(dāng)與FPGA其他邏輯塊編程連接時，能實現(xiàn)FIFO等功能?；?.5V電源電壓、chart0.22μmCMOS單多晶五鋁工藝設(shè)計生產(chǎn)，流片結(jié)果表明滿足工作頻率200MHz，可實現(xiàn)不同位數(shù)存儲器功能。

1引言

對于邏輯芯片的嵌入存儲器來說，嵌入式SRAM是常用的一種，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對于邏輯工藝有著很好的兼容性。對于小于2Mb存儲器的應(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主要由配置存儲器、布線資源、可編程I/O、可編程邏輯單元CLB、塊存儲器BRAM和數(shù)字時鐘管理模塊組成。它包含了分布式RAM，位于CLB中。每個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。

2BRAM塊劃分

現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)對存儲器容量的存儲速率要求越來越高，讀訪問時間就是一個重要參數(shù)，它是從地址信號的出現(xiàn)到存儲在該地址上的數(shù)據(jù)在輸出端出現(xiàn)的時間延遲。提高BRAM讀取速度的一個有效辦法是減小位線和字線上的總負(fù)載電容，這可以通過減少連接在同一字線和位線上的存儲單元數(shù)目來實現(xiàn)，即采用存儲陣列分塊技術(shù)。本電路采用設(shè)計多個BRAM的方法，每個BRAM都有自己的譯碼電路、敏感放大器和數(shù)據(jù)通道，各個BRAM獨立工作，每個BRAM的讀取時間得到了大大提高。

3BRAM塊設(shè)計

3.1BRAM與布線資源接口

FPGA中每個BRAM塊都嵌在內(nèi)部連線結(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（CLK、WE、ENA、RST）的輸入。左邊兩組16根RAMLINE一起布線提供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全局時鐘線優(yōu)化用作時鐘輸入，提供較短的延遲和的失真。VLONG也被專門用作BRAM中WE、ENA、RST的控制輸入。RAMLINE為BRAM專有布線，如從水平方向的SINGLE、UNIHEX、BIHEX通過可編程開關(guān)矩陣PSM把信號輸送到RAMLINE上，進(jìn)而送到BRAM用作地址、數(shù)據(jù)。而BRAM的輸出也通過RAMLINE終送到HLONG上。

圖1BRAM周圍布線

相鄰BRAM的RAMLINE也可通過三態(tài)門連到下的RAMLINE，于是整列中的BRAM可共享RAMLINE上的數(shù)據(jù)。每個BRAM與FPGA其他電路的相連主要通過水平方向的4組主要互連線完成。

3.2BRAM內(nèi)部設(shè)計

BRAM為真正的雙端口RAM，兩個端口完全獨立，每個端口可以配置為讀寫端口，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)位寬實現(xiàn)方法

配置邏輯中三位控制信號WIDTH_SEL0∶2連到BRAM中，同時對地址寬度、數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行控制。

由于BRAM可以實現(xiàn)1、2、4、8、16位的任意位寬，所以地址總線寬度、數(shù)據(jù)總線寬度都必須滿足其中任意一種模式下的要求。于是設(shè)計時使地址總線寬度為各種模式下的值，即1位時的地址寬度11∶0，其他模式下可使不用的地址位使能無效，進(jìn)而獲得所需的地址位。數(shù)據(jù)總線寬度也設(shè)置為各種情況下的值，即16位時的數(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。

表1可見WIDTH_SEL0∶2對地址使能的控制，主要在于對地址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_SEL0∶2另外譯碼產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)控制信號，分別為S_1、S_2、S_4、S_8、S_16控制數(shù)據(jù)如何分配到位線上。這當(dāng)中*根位線實行了分片，每片4根：

S_1有效：DI0可分配到16片中的任何一片上。

S_2有效：DI0∶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：DI0∶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：DI0∶7可分配到0∶7或8∶158片上，每片1位數(shù)據(jù)。

S_16有效：DI0∶15剛好分配到16片上，每片1位數(shù)據(jù)。

至于上述究竟存儲到哪些片上以及具體存儲到片內(nèi)哪根位線上則由列譯碼控制。

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)由與門組成。級用兩個3-8譯碼器，輸入端接入行地址ADDR5∶0，第二級用64個與門把級譯碼進(jìn)一步譯出來，可實現(xiàn)64行中選出1行。

圖264選1行譯碼

列譯碼相對較復(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ADDR11∶8組成，片內(nèi)譯碼由ADDR7∶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_SEL0∶2配置決定的。

圖3片選譯碼

譯碼所得的A11∶8_DEC0∶15即可實現(xiàn)片選存儲。當(dāng)配置為1位時，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，ADDR11使能無效，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，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個地址均無效，譯出的16位全有效，16片全選。經(jīng)過了片選的譯碼，列譯碼還需經(jīng)過第二級的片內(nèi)譯碼。

圖4片內(nèi)譯碼

A11∶8_DEC與A7譯碼均為低有效，A6譯碼為高有效。之所以能夠用或門譯碼，是因為沒被譯碼的一對BL和BLN位線上的數(shù)據(jù)是不會被寫入存儲單元的，如A70為1，A11∶8_DEC為1，BL0與BLN0均為1，即使字線打開了，它們也是不會被寫入存儲陣列的。而被譯碼選中的一對位線，BL與BLN互補，它們上的數(shù)據(jù)即可被寫入存儲單元。

3.2.3位線充電電路

對位線的充電共有兩對充電管和一對上拉管，寬長比在設(shè)計上也是有講究的。上拉管一直開啟，為倒比管。柵極接平衡管的M1和M2時序要求較高，因為它們的寬長比較大，為主要充電管。在BRAM總使能信號ENA和時鐘CLK有效時工作，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信號控制下工作。

Pre1_BL需在數(shù)據(jù)線與位線之間的開關(guān)管打開時關(guān)閉，不影響數(shù)據(jù)的讀操作。Pre1_BL信號受到數(shù)據(jù)線與位線的開關(guān)管控制信號A的約束，圖4的結(jié)構(gòu)即可避免Pre1_BL與A的時序沖突，在A有效時，Pre1_BL無效，且當(dāng)A關(guān)閉時，Pre1_BL延遲開啟。

而M3和M4管則由Pre2_BL信號控制，Pre2_BL由BRAM全局信號ENA、CLK和WE一起控制。由于BRAM在進(jìn)行寫操作時，也可鏡像地輸出寫入的數(shù)據(jù)，即也做了讀操作。為了更好地在寫入時也讀出，且滿足頻率要求，有必要增加這一充電管。

圖5Pre1_BL信號產(chǎn)生電路

圖6位線充電電路

4BRAM應(yīng)用

作為隨機存取存儲器，BRAM除了實現(xiàn)一般的存儲器功能外，還可實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)寬度的存儲，且可用作ROM，以實現(xiàn)組合邏輯函數(shù)。當(dāng)初始化了BRAM后，一組地址輸入就對應(yīng)了一組數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)數(shù)據(jù)和地址的對應(yīng)關(guān)系，就能實現(xiàn)一定的函數(shù)功能，BRAM之所以能實現(xiàn)函數(shù)邏輯，原因是它擁有足夠的存儲單元，可以把邏輯函數(shù)所有可能的結(jié)果預(yù)先存入到存儲單元中。如實現(xiàn)4×4二進(jìn)制乘法器：

即由地址來查找數(shù)據(jù)，如同LUT。在F