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(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。基于2.5V 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(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。

　　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(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。

　　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(jìn)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。