一種基于FPGA 的嵌入式塊SRAM 的設(shè)計

    摘　要：文章中提出了一種應用于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行清零，且編程后為兩端口獨立的雙端存儲器。當與FPGA 其他邏輯塊編程連接時，能實現(xiàn)FIFO 等功能?；?.5V 電源電壓、chart 0.22 μm CMOS 單多晶五鋁工藝設(shè)計生產(chǎn)，流片結(jié)果表明滿足最高工作頻率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 是最常用的一種，其典型的應用包括片上緩沖器、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)，標準的六管單元（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。

　　2 BRAM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。

　　3 BRAM塊設(shè)計

　　3.1 BRAM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，提供較短的延遲和最小的失真。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，進而送到BRAM 用作地址、數(shù)據(jù)。而BRAM 的輸出也通過RAMLINE最終送到HLONG上。

圖1 BRAM周圍布線

　　相鄰BRAM 的RAMLINE 也可通過三態(tài)門連到下一級的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。

　　3.2 BRAM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_SEL<0∶2>連到BRAM中，同時對地址寬度、數(shù)據(jù)寬度進行控制。

　　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最大值，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)置為各種情況下的最大值，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)位進行存儲。

　　表1可見WIDTH_SEL<0∶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_SEL<0∶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。這當中* 根位線實行了分片，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。第一級用兩個3-8 譯碼器，輸入端接入行地址ADDR<5∶0>，第二級用64 個與門把第一級譯碼進一步譯出來，可實現(xiàn)64 行中選出1 行。

圖2 64 選1 行譯碼

　　列譯碼相對較復雜，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>即可實現(xiàn)片選存儲。當配置為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。當配置為2 位時，ADDR<11>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)過了片選的一級譯碼，列譯碼還需經(jīng)過第二級的片內(nèi)譯碼。

圖4 片內(nèi)譯碼

　　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A7<0>為1，A<11∶8>_DEC為1，BL<0>與BLN<0>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，進行預充電。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5 Pre1_BL 信號產(chǎn)生電路

圖6 位線充電電路

　　4 BRAM應用

　　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)。當初始化了BRAM后，一組地址輸入就對應了一組數(shù)據(jù)的輸出，根據(jù)數(shù)據(jù)和地址的對應關(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)果預先存入到存儲單元中。如實現(xiàn)4 × 4 二進制乘法器：

　　即由地址來查找數(shù)據(jù)，如同LUT。在FPGA 中，還可用BRAM來實現(xiàn)FIFO中的存儲體模塊，CLB實現(xiàn)控制邏輯，設(shè)計緊湊，小巧靈活。

圖7 4 位乘法器

　　5 結(jié)論

　　如今系統(tǒng)越來越高級，數(shù)字電路也高度集成，存儲器也越來越多地應用于嵌入式芯片中。本文設(shè)計了一種應用于FPGA 的嵌入式存儲器結(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。