基于0．13微米CMOS工藝實(shí)現(xiàn)FPGA芯片存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)

1、 引言

FPGA的片上存儲(chǔ)資源有兩種實(shí)現(xiàn)方式：細(xì)粒式和粗粒式。所謂細(xì)粒式，是指每個(gè)基本邏輯單元可以配置成一個(gè)小的存儲(chǔ)器．若干個(gè)小存儲(chǔ)器冉通過合并進(jìn)行擴(kuò)展。它不需要額外邏輯，但存儲(chǔ)密度較低，適用于存儲(chǔ)需求不多的應(yīng)用。而粗粒式，就是將大容量的存儲(chǔ)器模塊嵌入到FPGA芯片中作為專用存儲(chǔ)單元，與細(xì)粒式相比具有存儲(chǔ)密度高的優(yōu)點(diǎn)，適用于數(shù)據(jù)處理等需要大量片上存儲(chǔ)空間的情況。隨著FPGA應(yīng)用日益廣泛，大容量存儲(chǔ)需求越來越多，嵌入式存儲(chǔ)器模塊因此已經(jīng)成為FPGA芯片中十分重要的資源。并且與普通存儲(chǔ)器相比，它們具有更靈活的可配置性。

本文所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器模塊是我們FPGA芯片的一部分，其功能、結(jié)構(gòu)、布局都為整個(gè)芯片服務(wù)。它是一個(gè)基于0．13微米CMOS工藝的同步18Kb雙端口存儲(chǔ)器，可以配置成為ROM或SRAM，每個(gè)端口支持6種數(shù)據(jù)寬度和3種寫入模式，并且可以選擇控制信號(hào)的極性，對(duì)每個(gè)輸出端口獨(dú)立地進(jìn)行置0／置1操作。在應(yīng)用中，多個(gè)存儲(chǔ)器模塊可以通過合并實(shí)現(xiàn)深度或?qū)挾鹊臄U(kuò)展，也可以作為FIFO或大的查找表使用。

2 、存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)

2．1層次結(jié)構(gòu)

從FPGA芯片的角度，該電路分為邏輯層和配置層，如圖1所示。邏輯層是一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器，有A和B兩個(gè)獨(dú)立的端口。en為片選信號(hào)，we為讀寫控制信號(hào)，ssr為間步預(yù)置控制信號(hào)。配置層的作用是為邏輯層提供配置信號(hào)，從而選擇存儲(chǔ)模塊的配置模式。每個(gè)配置信號(hào)對(duì)應(yīng)配置層的一個(gè)6管配置單元，在FPGA初始化階段被賦值后送到邏輯層。

2．2存儲(chǔ)單元

存儲(chǔ)單元采用圖2（a）所示的8管雙端口結(jié)構(gòu)，每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一條的字線和一對(duì)位線。當(dāng)字線電位拉高時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)NMOS管打開，數(shù)據(jù)通過位線寫入或者讀出。作為ROM使用時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)單元的初始化，必須提供一個(gè)從配置層到存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)通道。我們的實(shí)現(xiàn)方式如圖2（b）所示，即在A端口增加字線、位線選擇器。awl_lgc、abl_lgc為邏輯層中A端I=I的字線和位線，cfgwl、cfgbl為來自配置層的字線和位線。當(dāng)模式選擇信號(hào)modesel為低電位時(shí)，配置層的字線和位線通過，完成對(duì)存儲(chǔ)器的初始化。反之，邏輯層的字線和位線通過，該存儲(chǔ)器即為普通靜態(tài)存儲(chǔ)器。

圖1存儲(chǔ)器模塊層次結(jié)構(gòu)

圖2 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)

圖3三種寫入模式示意圖

該存儲(chǔ)器模塊有三種寫入模式，對(duì)應(yīng)進(jìn)行寫操作時(shí)輸出端口的三種狀態(tài)（圖3）。Read_First表示在寫入新的數(shù)據(jù)之前，先把存儲(chǔ)單元中舊的數(shù)據(jù)讀出來，即在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成先讀后寫兩步操作；Write_First表示寫入的數(shù)據(jù)同時(shí)也是讀出的數(shù)據(jù)；Nochange表示在寫操作過程中輸出端口狀態(tài)保持不變。Read First是默認(rèn)模式，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于下面介紹的預(yù)充電電路。

因?yàn)樽x寫操作都必須經(jīng)過位線，為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)先讀后寫的功能，讀和寫就必須在兩個(gè)不同的時(shí)間窗121進(jìn)行。為此設(shè)計(jì)如圖4（a）的預(yù)充電電路。dw、dwn是準(zhǔn)備寫入的數(shù)據(jù)，由輸入信號(hào)經(jīng)過一定邏輯產(chǎn)生；dr、dm是準(zhǔn)備讀出的數(shù)據(jù)，經(jīng)過靈敏放大器等電路處理后送到輸出端。yi為預(yù)充電控制信號(hào)，rdctl為讀控制信號(hào)，wtcd為寫控制信號(hào)，它們的時(shí)序關(guān)系如圖4（b）所示。yi為低電平期間兩條位線都被拉到VDD，讀寫操作均被關(guān)閉。vi的高電平窗121約為0．5ns，此間先用半個(gè)窗口時(shí)間進(jìn)行讀操作（rdcfl拉低），再用后半個(gè)窗口時(shí)間進(jìn)行寫操作（wIctl拉低）。這樣讀出的時(shí)候?qū)懭肼窂疥P(guān)閉，寫入的時(shí)候讀出路徑關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)了先讀舊數(shù)據(jù)后寫新數(shù)據(jù)的目的。

圖4預(yù)充電電路

圖5數(shù)據(jù)寬度選擇電路

2．4數(shù)據(jù)寬度選擇電路

經(jīng)過圖5所示的電路，存儲(chǔ)器模塊可以實(shí)現(xiàn)6種數(shù)據(jù)寬度的選擇（16Kxl，8Kx2．4Kx4。2Kx9，1Kxl8，5 12x36）。其中，每一個(gè)多路選擇器（MUX）由一位地址信號(hào)控制，起到地址譯碼的作用。寫數(shù)據(jù)時(shí)，總線選擇陣列從36個(gè)輸入數(shù)據(jù)中選出需要的數(shù)據(jù)，經(jīng)過多路選擇器的地址譯碼，寫入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元。讀數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)多路選擇器或者輸出所需要的數(shù)據(jù)或者保持高阻狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)進(jìn)入總線選擇陣列并送到對(duì)應(yīng)的輸出端口。所有數(shù)據(jù)寬度模式復(fù)用36個(gè)輸入端和36個(gè)輸出端，不同模式占用的端口不同。對(duì)于512x36模式，所有端口均被利用，但是對(duì)寬度小于36的模式就必然存在多余端口。為了避免這些不用的端口浮空可能引起的電路不穩(wěn)定性，在使用時(shí)它們會(huì)被自動(dòng)接到VDD或GND。

3、 驗(yàn)證方法和結(jié)果

由于本文所設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器模塊信號(hào)數(shù)量多、工作模式的組合多樣，我們采用行為級(jí)仿真工具M(jìn)odelsim和晶體管級(jí)仿真工具Hsim協(xié)同仿真的方式對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。利用行為級(jí)仿真可以方便觀察電路的功能是否實(shí)現(xiàn)，加速驗(yàn)證進(jìn)度，特別是當(dāng)驗(yàn)證電路擴(kuò)展到存儲(chǔ)器陣列甚至整個(gè)FPGA芯片的時(shí)候。而通過晶體管級(jí)的仿真可以得到詳細(xì)而比較精確的時(shí)序參數(shù)，例如上升/下降時(shí)間、延時(shí)等。圖6為Modelsim中A端口Read_First和Write 兩種寫操作模式的仿真波形，從中可以清楚地看出二者的特點(diǎn)和區(qū)別。

圖6仿真波形

訪問時(shí)間是存儲(chǔ)器性能的重要指標(biāo)，我們選擇位于位線結(jié)構(gòu)頂端的存儲(chǔ)單元作為關(guān)鍵路徑進(jìn)行讀寫操作，測(cè)定數(shù)據(jù)在輸出端的有效時(shí)間相對(duì)時(shí)鐘上升沿的延遲。因?yàn)椴煌瑪?shù)據(jù)寬度模式下信號(hào)經(jīng)過的路徑長短不同，它們的延遲也必然不同。仿真結(jié)果顯示：512x36模式下延遲時(shí)間最短為1．75ns，16Kxl模式下延遲時(shí)間最長為2．7ns，與理論上一致。

4、 版圖實(shí)現(xiàn)

我們以全定制的方式完成了該模塊的核心版圖部分，如圖7所示，稱之為存儲(chǔ)器核。存儲(chǔ)單元陣列被分成兩部分，由位于中間的譯碼器和控制電路隔開。圖中標(biāo)示了主要功能模塊的相對(duì)位置。根據(jù)整個(gè)FPGA芯片的規(guī)劃，金屬層的分配方案如下：所有邏輯電路使用1至4層金屬，5和6層金屬則專用于配置層的字線和位線。

該存儲(chǔ)器模塊最終將應(yīng)用到一系列FPGA芯片中。為了能與周圍通道模塊進(jìn)行無縫拼接，特定的芯片結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)器模塊的端口位置有特定的要求。因此，需要根據(jù)芯片參數(shù)對(duì)上述存儲(chǔ)器核進(jìn)行布線包裝，把與周圍模塊相連的信號(hào)引到相應(yīng)的位置。為了提高效率，我們采用Synopsys的自動(dòng)布局布線工具Astro來完成這一布線工作。用腳本命令從記錄芯片結(jié)構(gòu)的文件中讀取必要參數(shù)，生成Astro所需文件，自動(dòng)布線完成后即得到適用于特定芯片的完整版圖，整個(gè)過程完全自動(dòng)化。圖8中深色部分即為自動(dòng)布線后產(chǎn)生的一個(gè)版圖，四周為FPGA通道模塊的示意圖（cbx，cby，sb）。

圖7存儲(chǔ)器核版圖

圖8一個(gè)包裝后的完整版圖

5 、結(jié)論

本文介紹了一種0．13微米CMOS T藝下FPGA中嵌入式存儲(chǔ)器模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該模塊有兩個(gè)獨(dú)立端口，可以配置為只讀存儲(chǔ)器或靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，支持6種數(shù)據(jù)寬度和3種寫入模式。采用行為級(jí)和晶體管級(jí)協(xié)同仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證，表明電路性能良好。全定制設(shè)計(jì)完成的存儲(chǔ)器核，經(jīng)過自動(dòng)布局布線工具的包裝，得到了適用于特定芯片的完整版圖。

本文作者創(chuàng)新觀點(diǎn)：本文設(shè)計(jì)的字線、位線選擇電路實(shí)現(xiàn)了配置層對(duì)存儲(chǔ)單元的初始化功能；獨(dú)特的預(yù)充電電路實(shí)現(xiàn)了一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)先讀后寫的流水線模式；用自動(dòng)布局布線工具對(duì)全定制版圖進(jìn)行包裝處理的方法，對(duì)嵌入式模塊的設(shè)計(jì)有一定的啟發(fā)性。

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