如何实现FPGA芯片存储器模块的设计？

　　1 引言
　　FPGA的片上存储资源有两种实现方式：细粒式和粗粒式。所谓细粒式，是指每个基本逻辑单元可以配置成一个小的存储器．若干个小存储器冉通过合并进行扩展。它不需要额外逻辑，但存储密度较低，适用于存储需求不多的应用。而粗粒式，就是将大容量的存储器模块嵌入到FPGA芯片中作为专用存储单元，与细粒式相比具有存储密度高的优点，适用于数据处理等需要大量片上存储空间的情况。随着FPGA应用日益广泛，大容量存储需求越来越多，嵌入式存储器模块因此已经成为FPGA芯片中十分重要的资源。并且与普通存储器相比，它们具有更灵活的可配置性。
　　本文所设计的存储器模块是我们FPGA芯片的一部分，其功能、结构、布局都为整个芯片服务。它是一个基于0．13微米CMOS工艺的同步18Kb双端口存储器，可以配置成为ROM或SRAM，每个端口支持6种数据宽度和3种写入模式，并且可以选择控制信号的极性，对每个输出端口独立地进行置0／置1操作。在应用中，多个存储器模块可以通过合并实现深度或宽度的扩展，也可以作为FIFO或大的查找表使用。
　　2 存储器模块的设计
　　2．1层次结构
　　从FPGA芯片的角度，该电路分为逻辑层和配置层，如图1所示。逻辑层是一个静态存储器，有A和B两个独立的端口。en为片选信号，we为读写控制信号，ssr为间步预置控制信号。配置层的作用是为逻辑层提供配置信号，从而选择存储模块的配置模式。每个配置信号对应配置层的一个6管配置单元，在FPGA初始化阶段被赋值后送到逻辑层。
　　2．2存储单元
　　存储单元采用图2（a）所示的8管双端口结构，每个端口对应一条的字线和一对位线。当字线电位拉高时，对应的两个NMOS管打开，数据通过位线写入或者读出。作为ROM使用时，为了实现对存储单元的初始化，必须提供一个从配置层到存储单元的数据通道。我们的实现方式如图2（b）所示，即在A端口增加字线、位线选择器。awl_lgc、abl_lgc为逻辑层中A端I=I的字线和位线，cfgwl、cfgbl为来自配置层的字线和位线。当模式选择信号modesel为低电位时，配置层的字线和位线通过，完成对存储器的初始化。反之，逻辑层的字线和位线通过，该存储器即为普通静态存储器。
　　1.gif
　　图1存储器模块层次结构
　　2.gif
　　图2 存储单元设计
　　3.gif
　　图3三种写入模式示意图
　　该存储器模块有三种写入模式，对应进行写操作时输出端口的三种状态（图3）。Read_First表示在写入新的数据之前，先把存储单元中旧的数据读出来，即在一个时钟周期内完成先读后写两步操作；Write_First表示写入的数据同时也是读出的数据；Nochange表示在写操作过程中输出端口状态保持不变。Read First是默认模式，其实现的关键在于下面介绍的预充电电路。
　　因为读写操作都必须经过位线，为了实现一个时钟周期内先读后写的功能，读和写就必须在两个不同的时间窗121进行。为此设计如图4（a）的预充电电路。dw、dwn是准备写入的数据，由输入信号经过一定逻辑产生；dr、dm是准备读出的数据，经过灵敏放大器等电路处理后送到输出端。yi为预充电控制信号，rdctl为读控制信号，wtcd为写控制信号，它们的时序关系如图4（b）所示。yi为低电平期间两条位线都被拉到VDD，读写操作均被关闭。vi的高电平窗121约为0．5ns，此间先用半个窗口时间进行读操作（rdcfl拉低），再用后半个窗口时间进行写操作（wIctl拉低）。这样读出的时候写入路径关闭，写入的时候读出路径关闭，从而实现了先读旧数据后写新数据的目的。
　　4.gif
　　图4预充电电路
　　5.gif
　　图5数据宽度选择电路
　　2．4数据宽度选择电路
　　经过图5所示的电路，存储器模块可以实现6种数据宽度的选择（16Kxl，8Kx2．4Kx4。2Kx9，1Kxl8，5 12x36）。其中，每一个多路选择器（MUX）由一位地址信号控制，起到地址译码的作用。写数据时，总线选择阵列从36个输入数据中选出需要的数据，经过多路选择器的地址译码，写入相应的存储单元。读数据时，每个多路选择器或者输出所需要的数据或者保持高阻状态，这些数据进入总线选择阵列并送到对应的输出端口。所有数据宽度模式复用36个输入端和36个输出端，不同模式占用的端口不同。对于512x36模式，所有端口均被利用，但是对宽度小于36的模式就必然存在多余端口。为了避免这些不用的端口浮空可能引起的电路不稳定性，在使用时它们会被自动接到VDD或GND。
　　3 验证方法和结果
　　由于本文所设计的存储器模块信号数量多、工作模式的组合多样，我们采用行为级仿真工具Modelsim和晶体管级仿真工具Hsim协同仿真的方式对其进行验证。利用行为级仿真可以方便观察电路的功能是否实现，加速验证进度，特别是当验证电路扩展到存储器阵列甚至整个FPGA芯片的时候。而通过晶体管级的仿真可以得到详细而比较精确的时序参数，例如上升/下降时间、延时等。图6为Modelsim中A端口Read_First和Write 两种写操作模式的仿真波形，从中可以清楚地看出二者的特点和区别。
　　6.gif
　　图6仿真波形
　　访问时间是存储器性能的重要指标，我们选择位于位线结构顶端的存储单元作为关键路径进行读写操作，测定数据在输出端的有效时间相对时钟上升沿的延迟。因为不同数据宽度模式下信号经过的路径长短不同，它们的延迟也必然不同。仿真结果显示：512x36模式下延迟时间最短为1．75ns，16Kxl模式下延迟时间最长为2．7ns，与理论上一致。
　　4 版图实现
　　我们以全定制的方式完成了该模块的核心版图部分，如图7所示，称之为存储器核。存储单元阵列被分成两部分，由位于中间的译码器和控制电路隔开。图中标示了主要功能模块的相对位置。根据整个FPGA芯片的规划，金属层的分配方案如下：所有逻辑电路使用1至4层金属，5和6层金属则专用于配置层的字线和位线。
　　该存储器模块最终将应用到一系列FPGA芯片中。为了能与周围通道模块进行无缝拼接，特定的芯片结构对存储器模块的端口位置有特定的要求。因此，需要根据芯片参数对上述存储器核进行布线包装，把与周围模块相连的信号引到相应的位置。为了提高效率，我们采用Synopsys的自动布局布线工具Astro来完成这一布线工作。用脚本命令从记录芯片结构的文件中读取必要参数，生成Astro所需文件，自动布线完成后即得到适用于特定芯片的完整版图，整个过程完全自动化。图8中深色部分即为自动布线后产生的一个版图，四周为FPGA通道模块的示意图（cbx，cby，***）。
　　
　　图7存储器核版图
　　
　　图8一个包装后的完整版图
　　5 结论
　　本文介绍了一种0．13微米CMOS T艺下FPGA中嵌入式存储器模块的设计与实现。该模块有两个独立端口，可以配置为只读存储器或静态随机存储器，支持6种数据宽度和3种写入模式。采用行为级和晶体管级协同仿真的方法进行验证，表明电路性能良好。全定制设计完成的存储器核，经过自动布局布线工具的包装，得到了适用于特定芯片的完整版图。
　　本文作者创新观点：本文设计的字线、位线选择电路实现了配置层对存储单元的初始化功能；独特的预充电电路实现了一个时钟周期内先读后写的流水线模式；用自动布局布线工具对全定制版图进行包装处理的方法，对嵌入式模块的设计有一定的启发性。