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引言
當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨(dú)立承擔(dān)，設(shè)計(jì)師們更希望在教研室里就能驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路功能。FPGA的出現(xiàn)，使得芯片設(shè)計(jì)和應(yīng)用跨入了一個(gè)新的領(lǐng)域。
研究背景
隨著硬件方面的急速發(fā)展，與之相配套的軟件也不斷更新，更快﹑更智能的原理圖編輯﹑設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證工具都被集成到EDA開發(fā)工具中。這些發(fā)展大大縮短了FPGA的開發(fā)周期，增強(qiáng)了FPGA設(shè)計(jì)的靈活性和可移植性，也避免了專用集成電路設(shè)計(jì)的高風(fēng)險(xiǎn)。但由于片內(nèi)存儲(chǔ)器受器件規(guī)模和生產(chǎn)成本的制約，其容量通常不能滿足用戶實(shí)際需求，這就需要使用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器件來擴(kuò)展存儲(chǔ)空間。針對(duì)這種情況，本文專門研究了FPGA與兩種典型的存儲(chǔ)器接口實(shí)現(xiàn)問題。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中采用了Xilinx公司Virtex-E系列的FPGA （XCV300E）﹑ISSI公司的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器IS63LV1024和HYNIX公司的HY57V281620HC（L/S）T動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器。
XCV300E性能介紹
FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是可編程邏輯器件的一種，它不僅可以提高系統(tǒng)的可靠性，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，節(jié)省了電路板的面積，而且實(shí)現(xiàn)成本低﹑開發(fā)周期短，是進(jìn)行原始設(shè)計(jì)的理想載體。Virtex-E系列產(chǎn)品對(duì)所有Virtex特性都進(jìn)行了加強(qiáng)，采用領(lǐng)先的0.18 m六層金屬互連半導(dǎo)體工藝制造，大大提高了器件性能和密度，同時(shí)還提供了可進(jìn)一步滿足下一代數(shù)據(jù)通信和DSP應(yīng)用帶寬要求的高性能系統(tǒng)特性組合。Xilinx公司的VirtexE XCV300E，采用BGA432封裝，片內(nèi)Block RAM為131，072 比特，Distributed RAM為98，304比特，System Gates為411，955門，Logic Gates為82，944門。特性如下：
1.工作在1.8V電壓下的快速﹑高密度FPGA器件 ；
2.采用高度靈活的I/O選擇技術(shù)，支持20種高性能接口標(biāo)準(zhǔn)；
3.采用高性能的鏈路選擇技術(shù)；
4.精密復(fù)雜的存儲(chǔ)器選擇機(jī)制；
5.高性能的時(shí)鐘管理電路；
6.具有能平衡速度與密度的靈活性體系結(jié)構(gòu)；
7.基于SRAM方式的系統(tǒng)配置。
SRAM性能介紹
為了能更好﹑更有效的設(shè)計(jì)FPGA與IS63LV1024的接口實(shí)現(xiàn)，必須先了解IS63LV1024的性能特點(diǎn)。充分利用這些特點(diǎn)會(huì)使設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)變得事半功倍。IS63LV1024是128K 8的高速靜態(tài)存儲(chǔ)器，性能特點(diǎn)包括：
1.工作在3.3V電壓下，高速接入時(shí)間一般分為8、10、12和15ns；
2.高性能﹑低功耗器件（使用ICSI高性能COMS技術(shù)制作過程和使用新的電路設(shè)計(jì)技術(shù)）；
3.通過選擇CE和OE的狀態(tài)可以比較簡單的實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)；
4. CE可以使器件進(jìn)入power-down工作模式，即 沒有被選擇時(shí)，器件進(jìn)入一種掛起狀態(tài)，使得功率消耗小于250 W；
5.不需要時(shí)鐘和更新，是全靜態(tài)工作過程；
6.所有的輸入和輸出都是與TTL相兼容的。
除此之外，為了保證所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的正確性還必須要了解IS63LV1024的讀寫狀態(tài)的時(shí)序和使能的要求。其讀寫時(shí)序狀態(tài)如圖1所示：
DRAM性能簡介
DRAM與SRAM不同，它只能將數(shù)據(jù)保持很短的時(shí)間。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)，DRAM 必須隔一段時(shí)間刷新一次，如果存儲(chǔ)單元沒有刷新，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。SRAM雖不需刷新，但斷電后會(huì)丟失數(shù)據(jù)。SRAM的數(shù)據(jù)傳輸速率從10 ns到30 ns不等，DRAM要比它慢30 ns左右。因此，SRAM通常用于高速緩沖存儲(chǔ)器，而DRAM通常用來存儲(chǔ)較大的數(shù)據(jù)。HY57V281620HC（L/S）T是4Banks 2M 16bit的同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，性能特點(diǎn)包括：
1.工作在3.3 0.3V電壓下；
2.所有器件管腳都與LVTTL接口兼容；
3.所有的輸入和輸出操作都是在時(shí)鐘CLK上升沿的作用下進(jìn)行；
4.通過UDQM或者LDQM來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)延時(shí)功能；
5.內(nèi)部有四個(gè)bank可以進(jìn)行操作；
6.自刷新功能，刷新周期為4096；
7.可編程的猝發(fā)類型、猝發(fā)長度；
8.可編程的的CAS延遲為2或3個(gè)時(shí)鐘周期。
由上面的特性可知，DARM的讀寫操作與SRAM有較大的不同。根據(jù)HY57V281620HC（L/S）T的讀寫狀態(tài)的時(shí)序要求，其讀寫時(shí)序狀態(tài)如圖2所示：
設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
當(dāng)設(shè)計(jì)FPGA與SRAM的接口時(shí)，由于它的傳輸速度較快，所以只需著重考慮如何保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的正確性，而不需要考慮用其它方式來提高SRAM的存儲(chǔ)速度。本設(shè)計(jì)的做法是一次性寫滿128k數(shù)據(jù)后，再一次性讀出128k數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)的正確性，要求在寫數(shù)據(jù)時(shí)不能讀數(shù)據(jù)，而在讀數(shù)據(jù)時(shí)不能寫數(shù)據(jù)。
當(dāng)設(shè)計(jì)FPGA與DRAM的接口時(shí)，為了能滿足各種系統(tǒng)的使用要求，本設(shè)計(jì)創(chuàng)建了時(shí)鐘頻率、猝發(fā)長度、延時(shí)節(jié)拍等可編程參數(shù)。在具體操作DRAM時(shí)，首先，必須進(jìn)行初始化配置，即寫模式寄存器，以便確定DRAM列選延遲節(jié)拍數(shù)、猝發(fā)類型、猝發(fā)長度等工作模式。然后通過ACT命令激活對(duì)應(yīng)地址的組，同時(shí)輸入行地址。最后，通過RD或WR命令輸入列地址，將相應(yīng)數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭氲綄?duì)應(yīng)的地址。操作完成后，用相關(guān)命令中止讀或?qū)懖僮鳌Ｔ跊]有操作的時(shí)候，每64ms必須對(duì)所有存儲(chǔ)單元刷新一遍，防止數(shù)據(jù)丟失。
下面本文將指出在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中需要特別注意的幾個(gè)問題，并給出了相應(yīng)的解決方法 。
首先，是如何控制SRAM的讀寫功能。這就需要與IS63LV1024讀寫時(shí)序要求和真值表的描述相配合。本設(shè)計(jì)為了避免連讀或連寫數(shù)據(jù)時(shí)出錯(cuò)，考慮了一種通過讀寫數(shù)據(jù)請(qǐng)求的方法來盡量避免讀或?qū)憯?shù)據(jù)出錯(cuò)的可能。即每寫完或讀完一個(gè)數(shù)據(jù)后都要先進(jìn)行請(qǐng)求，然后才能繼續(xù)讀或?qū)憯?shù)據(jù)。ASRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖3所示：
下面給出了圖3中各個(gè)狀態(tài)所表示的意思：
DOREAD表示讀數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；
DOWRITE表示寫數(shù)據(jù)的請(qǐng)求；
STIDLE表示存儲(chǔ)器處于空閑狀態(tài)；
STWRITE1表示存儲(chǔ)器處于寫準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備寫數(shù)據(jù)；
STWRITE2表示存儲(chǔ)器處于寫狀態(tài)，開始寫數(shù)據(jù)；
STREAD1表示存儲(chǔ)器處于讀準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備讀數(shù)據(jù)；
STREAD2表示存儲(chǔ)器處于讀狀態(tài)，開始讀數(shù)據(jù)。
只有當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿到來時(shí)，才會(huì)觸發(fā)這個(gè)狀態(tài)機(jī)改變一次當(dāng)前狀態(tài)。
剛開始時(shí)，存儲(chǔ)器的初始狀態(tài)為空閑狀態(tài)，當(dāng)有請(qǐng)求來時(shí)才判斷是讀或?qū)懻?qǐng)求，如果沒有請(qǐng)求就一直保持空閑狀態(tài)。虛線表示自動(dòng)按順序進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。
其次，是如何控制DRAM的各種狀態(tài)。當(dāng)設(shè)計(jì)FPGA與DRAM的接口時(shí)，由于它除了讀寫狀態(tài)外還有較多的其它狀態(tài)，所以需要著重設(shè)計(jì)好讀寫狀態(tài)與其它狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換控制。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)采用了狀態(tài)機(jī)來控制這些狀態(tài)之間的關(guān)系，DRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示：
下面給出了圖中各個(gè)狀態(tài)所表示的意思：
IDLE 表示存儲(chǔ)器處于空閑狀態(tài)；
LMREG 表示加載寄存器狀態(tài)；
ACT 表示活動(dòng)狀態(tài)；
AR2 表示自動(dòng)刷新有效狀態(tài)；
AR 表示自動(dòng)刷新無效狀態(tài)；
WRITE STATE 表示讀狀態(tài)；
READ STATE 表示寫狀態(tài)；
只有當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘的上升延到來時(shí)，才會(huì)觸發(fā)這個(gè)狀態(tài)機(jī)改變一次當(dāng)前狀態(tài)。
剛開始時(shí)，存儲(chǔ)器的初始狀態(tài)為空閑狀態(tài)，當(dāng)有請(qǐng)求來時(shí)才會(huì)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)，如果沒有請(qǐng)求就一直保持空閑狀態(tài)。虛線表示自動(dòng)按順序進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)。
最后，是FPGA的設(shè)計(jì)要求。一個(gè)優(yōu)秀的FPGA設(shè)計(jì)不僅要達(dá)到系統(tǒng)的基本要求，同時(shí)必須滿足可讀性、可重復(fù)性和可測(cè)性。
可讀性好的FPGA設(shè)計(jì)原理圖和硬件描述語言設(shè)計(jì)應(yīng)該包含足夠詳細(xì)的注釋。每張?jiān)韴D之間的關(guān)系及硬件描述模塊間的互聯(lián)關(guān)系的說明固然重要，但是每個(gè)模塊本身的說明也是不能忽視的，例如狀態(tài)機(jī)的文檔應(yīng)當(dāng)包括狀態(tài)圖或功能描述。好的文檔也許花不了很多的時(shí)間，但是卻可以在調(diào)試﹑測(cè)試和維護(hù)設(shè)計(jì)上節(jié)省大量的時(shí)間。
可重復(fù)性指FPGA設(shè)計(jì)應(yīng)該保證如果不同的人從不同的部位開始，并重新進(jìn)行布局布線等，應(yīng)該得到同樣的結(jié)果。沒有這個(gè)保證，驗(yàn)證以及其他形式的設(shè)計(jì)測(cè)試就毫無意義。設(shè)計(jì)者顯然不希望在設(shè)計(jì)里出現(xiàn)這樣的情況，具有相同的輸入輸出管腳和功能的器件，由于布局布線的差異，導(dǎo)致最后時(shí)序不一致。如果在實(shí)現(xiàn)的過程中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)或選項(xiàng)不一致，就會(huì)發(fā)生這種情況。因此FPGA的文檔就應(yīng)該包括必要的信息，即軟件開發(fā)系統(tǒng)的版本號(hào)﹑軟件的各個(gè)選項(xiàng)及參數(shù)設(shè)計(jì)。
可測(cè)性是FPGA設(shè)計(jì)的最后一個(gè)特征。系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試要求設(shè)計(jì)者對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程及系統(tǒng)架構(gòu)都要很清楚。隨著設(shè)計(jì)層次的提高，使得設(shè)計(jì)者面對(duì)的電路規(guī)模越來越大，功能越來越復(fù)雜，相應(yīng)電路的測(cè)試也變得越來越困難。在設(shè)計(jì)過程中綜合考慮測(cè)試的設(shè)計(jì)問題并統(tǒng)一實(shí)施，將有效地縮短整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間、減少返工。
結(jié)束語
在開發(fā)過程中由于采用高級(jí)硬件編程語言－編程器件的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，大大縮短了開發(fā)周期，增加了硬件設(shè)計(jì)的靈活性和可移植性，也避免了專用集成電路設(shè)計(jì)的高風(fēng)險(xiǎn)。采用邏輯仿真與后時(shí)序仿真相結(jié)合的驗(yàn)證方法，可以保證設(shè)計(jì)的可靠性?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，這種開發(fā)方式在中小型集成電路開發(fā)中已得到廣泛應(yīng)用。 隨著工藝技術(shù)的發(fā)展與市場(chǎng)的需要，超大規(guī)模﹑高速﹑低功耗的新型FPGA將會(huì)不斷推陳出新?，F(xiàn)在新一代的FPGA甚至集成了中央處理器（CPU）或數(shù)字處理器（DSP）內(nèi)核，在一片F(xiàn)PGA上進(jìn)行軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)片上可編程系統(tǒng)（SOPC，System On Programmable Chip）提供了強(qiáng)大的硬件支持。
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