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第 54卷 第 1期 复 旦 学 报 (自然科学版) Vo1.54No.1
2015年 2月 JournalofFudanUniversity (NaturalScience) Feb.2015
文章编号:0427—7104(2015)01—0085—06
65llmFPGA中基于位宽选择的高速
BlockRAM 设计
陈 丹,王 健,张昕睿,来金梅
(复旦大学 专用集成电路与系统国家重点实验室,上海 201203)
摘 要:针对高性能现场可编程门阵列(FPGA)应用中数据存储交换的高速、多种位宽配置需求,本文设计了一
种基于数据位宽可调整的高速BlockRAM,并将其嵌入 自主研发的FPGA芯片中.在该 FDP15芯片中,Block
RAM采用 65nm的1P10M层金属,核电压 1.2VCMOS工艺技术,可以实现 1bitX16k,2bits×8k,4bits×4k
不带校验位和 9bits×2k,18bits×lk,36bits×512带有校验位的 6种位宽选择模式 ,3种写入模式的双端 口独
立工作.文中针对位宽配置选择功能提出了一种单元可重复的电路结构,同时采用模拟位线延迟反馈机制实现
了BlockRAM较高的工作频率.流片测试的结果表明BlockRAM 可以实现真正的双端 口独立工作,其 6种位
宽模式和 3种写入模式功能正确,开关参数延迟可以达到 2.25rls,与Xilinx同等功能、规模的芯片 Virtex-4中
内嵌BlockRAM相 比,性能接近.
关键词:现场可编程 门阵列;块随机存储器;位宽可配置;延迟反馈
中图分类号:TN432 文献标志码:A
现场可编程门阵列 (FieldProgrammableGateArray,FPGA)是一种可重新编程的集成芯片,动态重
构使用预建的逻辑块和布线资源,用户可以很轻易地实现 自定义硬件功能,有效地节约开发周期和成本,
这些优点使得其在通信、自动化和计算领域等有很广泛的应用.一般来说,FPGA芯片中的主要组成部分
包括 :可配置逻辑块 (ConfigurableLogicBlock,CLB),输入输 出单元 (input/outputcel1)和互连资
源[1],而有些FPGA芯片中还包含一些内嵌的IP核,例如随机存取存储器 (RandomAccessMemory,
RAM)等,这些随机块存储器(BlockRAM)被集成在 CLB阵列周围,抗干扰能力强、具有灵活的可配置
性,通过与CLBs进行合适的配置,来实现更高的存储密度,充分利用FPGA芯片资源,而且比片外RAM
的存取速度快好几倍_l3.
FPGA 中内嵌存储器模块 目前 已经广泛应用于大容量的数据存储和数据交互方面,例如国际知名的
FPGA供应商Xilinx和Altera均在其各个系列的FPGA中集成了BlockRAM_4],BlockRAM 向着大容
量、低功耗和高性能的方向发展.对于BlockRAM 本身 IP核的设计,在容量确定的前提下,能否实现较
高的工作频率则作为判断其性能的一个重要指标.而RAM作为时序电路,其时序的控带I』和优化对其本身
性能有至关重要的作用.
与传统单芯片设计不同,FPGA 中内嵌存储器为了适应更多应用需求一般可以配置成多种 比特
(bit)位宽模式,但是这种功能的引入会增加关键路径 的延迟 ,造成速度的降低 ;同时 由于 Block
RAM 的时序电路特性,各个功能模块的协同工作严重依赖于一个 良好的时序控制,如果时序配置
不合理,会对性能造成很大的影响.文献[6]中存储位宽配置采用了地址译码查找表的模式 由地址
译码电路产生内部控制信号来选择位线上的数据,并通过传输管逻辑输出到数据端口.这种电路结
构要实现的位宽选择种类越多,其所需的控制信号越多,在物理层面上走线也越复杂,同时,该种传
输管逻辑由于工艺的不稳定性会造成中间结点信号的不完整,数据延迟也会比较大.此外,文献[7]
对整个时序的配置采用了一种固定延迟的方法,采用最坏情况下延迟链作为各个模块的时序控制,
收稿 日期:2014—03—27
基金项 目:国家高技术研究发展计划资助项 目(2012AA012001)
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