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和字線上的總負(fù)載電容,，這可以通過(guò)減少連接在同一字線和位線上的存儲(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與布線資源接口

　　FPGA 中每個(gè)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(hào)（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(shí)鐘線優(yōu)化用作時(shí)鐘輸入,，提供較短的延遲和最小的失真,。VLONG也被專門(mén)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(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周圍布線

　　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(jì)時(shí)使地址總線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)如何分配到位線上,。這當(dāng)中* 根位線實(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)哪根位線上則由列譯碼控制,。

　　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和字線上的總負(fù)載電容,，這可以通過(guò)減少連接在同一字線和位線上的存儲(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與布線資源接口

　　FPGA 中每個(gè)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(hào)（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(shí)鐘線優(yōu)化用作時(shí)鐘輸入,，提供較短的延遲和最小的失真,。VLONG也被專門(mén)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(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周圍布線

　　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(jì)時(shí)使地址總線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)如何分配到位線上,。這當(dāng)中* 根位線實(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,，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 位線充電電路

　　對(duì)位線的充電共有兩對(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)線與位線之間的開(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)線與位線的開(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,。