基于0.13微米CMOS工藝下平臺式FPGA中可重構(gòu)RAM模塊的一種設(shè)計方法
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存儲器模塊的存儲單元陣列采用的是256x64的結(jié)構(gòu)，即每列為256個存儲單元，每行為64個存儲單元。讀操作過程中，由于我們能夠?qū)崿F(xiàn)的最大位寬的存儲器結(jié)構(gòu)為512x32，所以在預充電電路與靈敏放大器之間我們加入了一個2選1的選擇器，這樣進入靈敏放大器的位線有32對，32個靈敏放大器是必需的。 32位數(shù)據(jù)從靈敏放大器輸出后就進入輸出列選擇器，如圖5(a)所示，我們用到了五個二選一的選擇器，各由一位地址選擇，同時其工作狀態(tài)由配置信息控制，各選擇器的輸出按照配置信息或者提供相應(yīng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)或者被置為高阻態(tài)。被選出的數(shù)據(jù)經(jīng)過輸出總線選擇開關(guān)矩陣，最后到達數(shù)據(jù)總線。在寫操作過程中，數(shù)據(jù)總線上的輸入數(shù)據(jù)首先進入輸入總線選擇開關(guān)矩陣（與輸出總線選擇開關(guān)矩陣相似），然后進入輸入列選擇器（與輸出列選擇器相似,圖5(b)所示），輸入列選擇器的輸出經(jīng)過緩沖器后(圖3.a中DW, DWN)被直接寫入選中的存儲單元。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/152168.htm
圖 3. 位線結(jié) (a) 讀列選擇器 (b) 寫列選擇器 圖4 .讀/寫列選擇器
2.4 存儲器模塊的體系結(jié)構(gòu)
圖5給出了存儲器模塊的總體結(jié)構(gòu)[3]。每個存儲器模塊的存儲單元陣列被分為兩部分，分別為256x32，即每列256個存儲單元，每行32個存儲單元[6],[7]。A,B兩端口分別擁有獨自的行譯碼器，預充電電路，靈敏放大器，輸入/輸出列選擇器，輸入/輸出總線選擇開關(guān)矩陣，時鐘產(chǎn)生器以及輸入輸出緩沖電路。預充電電路用于在讀操作前將耦合位線預充至某一相同電壓值。行譯碼器采用兩級譯碼，從而提高讀寫操作速度。時鐘產(chǎn)生器用來產(chǎn)生內(nèi)部時鐘以控制譯碼器，靈敏放大器，多路選擇器，預充電電路以及輸入輸出寄存器[3]。
3. 讀寫操作仿真結(jié)果
關(guān)鍵路徑我們選擇位于位線結(jié)構(gòu)頂端的存儲單元，對該存儲單元的讀寫操作反映了最壞情況下的延時[4]。由于存儲器模塊可以配置為不同的結(jié)構(gòu)，所以各種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑長度并不相等，顯然512x32這種結(jié)構(gòu)中數(shù)據(jù)經(jīng)過最少的選擇器，所以關(guān)鍵路徑最短，而16kx1結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵路徑最長，因為數(shù)據(jù)要經(jīng)過最多的選擇器。我們對這兩種關(guān)鍵路徑做了重點仿真，這也足以反應(yīng)存儲器模塊的性能。
我們用Synoposys的工具Nanosim針對各種讀寫操作基于0.13微米CMOS工藝做了詳細的仿真。圖7給出了512x32 和16Kx1這兩種工作模式下的關(guān)鍵路徑上的讀取時間。時鐘上升沿到數(shù)據(jù)讀出有效之間的延時分別是1.4ns和2.5ns，讀取時間不同的原因在于對于不同的工作模式數(shù)據(jù)經(jīng)過的關(guān)鍵路徑的長短不同，512x32模式下經(jīng)過的關(guān)鍵路徑最短，而16Kx1模式下關(guān)鍵路徑最長，所以這兩種模式之間的各種模式下的讀取時間在1.4ns和2.5ns之間。
圖 6. 存儲器模塊體系結(jié)構(gòu) 圖 7.存儲器讀取操作的仿真結(jié)果
4. 結(jié)論
本文介紹了基于0.13微米CMOS工藝下平臺式FPGA中可重構(gòu)RAM模塊的一種設(shè)計方法。該RAM模塊是一個16Kb的高速低功耗可重構(gòu)模塊，通過不同的配置信息，可以實現(xiàn)多種功能。重點介紹了一種用于可重構(gòu)靜態(tài)存儲器的全新的存儲器單元電路結(jié)構(gòu)以及實現(xiàn)該靜態(tài)存儲器各種重構(gòu)功能的電路結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明我們設(shè)計的該存儲器模塊能夠很好的實現(xiàn)各種重構(gòu)功能，而且速度高，功耗較低。
本文作者創(chuàng)新觀點：本文所設(shè)計的存儲器采用了一種新穎的三端口存儲單元，同時在外圍電路采用了可配置的列選擇器，從而可以通過不同的配置信息把存儲器配置到多種工作模式，該存儲器具備了良好的可重構(gòu)性能。
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