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BRAM 的輸出也通過(guò)RAMLINE最終送到HLONG上。

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　　圖1 BRAM周圍布線

　　相鄰BRAM 的RAMLINE 也可通過(guò)三態(tài)門連到下一級(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

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　　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。

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　　圖2 64 選1 行譯碼