辛?xí)詫?，?江

（沈陽工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

在復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)微處理器設(shè)計(jì)中，存儲(chǔ)器負(fù)責(zé)系統(tǒng)程序和數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存，是整個(gè)系統(tǒng)的重要組成部分，在CPU執(zhí)行指令的過程中，要經(jīng)常被訪問存儲(chǔ)器，所以存儲(chǔ)器的讀寫速度會(huì)影響指令執(zhí)行的速度[1]。RAM是系統(tǒng)芯片中常用的存儲(chǔ)器，用來存放數(shù)據(jù)，普通的RAM在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能進(jìn)行一次讀或?qū)懖僮?，即CPU在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能訪問存儲(chǔ)器一次，稱為單存取隨機(jī)存儲(chǔ)器（Single-Access On-Chip RAM），而雙存取隨機(jī)存儲(chǔ)器（Dual-Access On-Chip RAM）可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀和寫兩次操作。利用DARAM一個(gè)周期內(nèi)“雙存取”的特點(diǎn)，可以大幅提高CPU執(zhí)行指令的速度，進(jìn)而提高整個(gè)系統(tǒng)的性能[2]。

1 DARAM整體電路

DARAM整體電路如圖1所示，該DARAM的大小為256字x 16位，用來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，輸入信號(hào)為兩相不交疊時(shí)鐘SCLOCK1和 SCLOCK2，數(shù)據(jù)寫總線DWE，數(shù)據(jù)讀地址總線DRA和數(shù)據(jù)寫地址總線DWA，讀使能R_en和寫使能W_en（高電平有效），輸出信號(hào)為數(shù)據(jù)讀總線DRD[3]。

DARAM的存儲(chǔ)陣列根據(jù)地址的高低分為大小相等的兩塊，接口電路主要包括地址譯碼、地址選擇、字線譯碼、位線選擇和控制電路幾個(gè)部分。其中，控制電路中的讀寫使能信號(hào)與內(nèi)部時(shí)鐘共同作用產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，會(huì)使地址選擇電路在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的高低電平部分，分別輸出讀地址和寫地址，這樣就可以使位線選擇電路在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行讀寫兩次操作，這是接口電路中的重要部分，也是隨機(jī)存儲(chǔ)器可以進(jìn)行“雙存取”的關(guān)鍵。

2 DARAM電路設(shè)計(jì)

2.1 地址譯碼

該DARAM的物理地址為0300H-03FFH，所以讀寫地址的高8位必須為“0000_0011”，地址譯碼電路的功能就是判斷高8位地址是否匹配，如果地址匹配W_en和R_en才會(huì)輸入到控制電路。

2.2 控制電路

控制電路實(shí)現(xiàn)的功能有：產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘，讀寫脈沖信號(hào)和預(yù)充電控制信號(hào)OE。

圖1 DARAM整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The DARAM structure block

圖2 內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生電路Fig.2 Internal clock generating circuit

圖2中SCLOCK1和SCLOCK2高電平不交疊，當(dāng)SCLOCK1為高時(shí)輸出0，SCLOCK2為高時(shí)輸出1，都為低時(shí)輸出保持不變，這樣兩相時(shí)鐘就轉(zhuǎn)換成一相內(nèi)部時(shí)鐘CLK，如圖3。

圖3 內(nèi)部時(shí)鐘CLK的波形Fig.3 Waveform of the internal clock CLK

圖4產(chǎn)生的讀寫脈沖信號(hào)Rs與Ws會(huì)控制地址選擇模塊。W_en經(jīng)過一個(gè)高電平觸發(fā)的觸發(fā)器，是為了寄存半個(gè)周期的時(shí)間，使輸出的讀脈沖Rs和寫脈沖Ws交替產(chǎn)生，形成單周期雙脈沖，是可以實(shí)現(xiàn)“雙存取”的關(guān)鍵。

圖4 讀寫脈沖產(chǎn)生電路Fig.4 Pulse generating circuit of read and write

圖5電路中，當(dāng)進(jìn)行讀操作時(shí)，R_en為高，在時(shí)鐘上跳的瞬間，由于邏輯門的延遲，輸出信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一小段低電平，之后再升高，這樣就產(chǎn)生了一個(gè)很窄的脈沖Rss，見圖6。類似的，由SCLOCK2和W_en也會(huì)產(chǎn)生寫信號(hào)窄脈沖Wss。

圖5 讀信號(hào)窄脈沖Rss產(chǎn)生電路Fig.5 Narrow pulse generating circuit of read

圖6 Rss波形Fig.6 Waveform of Rss

Rss與Wss并不是最后控制讀寫放大器的控制脈沖，因?yàn)樽x出與寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間很關(guān)鍵，也就是說脈沖的寬度要很精確，讀脈沖如果過寬的話不僅會(huì)增大靈敏放大器的能量消耗，也會(huì)減慢數(shù)據(jù)讀出的速度，時(shí)間要恰好使位線上的電壓可以滿足靈敏放大器的靈敏度，而寫脈沖如果太窄，數(shù)據(jù)會(huì)無法寫入，所以要設(shè)計(jì)的恰到好處[4-5]。

圖7 預(yù)充電控制信號(hào)產(chǎn)生電路Fig.7 Control signal generating circuit of precharge

圖7所示電路可以產(chǎn)生讀寫控制脈沖和預(yù)充電控制信號(hào)。RSE是讀脈沖，WSE是寫脈沖，OE是預(yù)充電控制信號(hào)，由讀寫地址的第7位A7選擇要控制的存儲(chǔ)塊。負(fù)載電容的大小就決定了讀寫脈沖的寬度，所以需經(jīng)過精確設(shè)計(jì)。最終輸出的波形如圖8。

圖8 RSE、WSE和OE波形Fig.8 Waveform of RSE，WSE and OE

2.3 地址選擇

由控制電路產(chǎn)生的Rs和Ws會(huì)控制DRA和DWA低8位的傳輸，使兩條地址總線有選擇性的輸出，產(chǎn)生一條8位的讀寫地址總線，其中地址[1:0]經(jīng)過譯碼會(huì)控制四條位線，進(jìn)行位線選擇，地址[6:2]會(huì)進(jìn)行字線譯碼，地址[7]經(jīng)過控制電路產(chǎn)生存儲(chǔ)陣列的塊選擇信號(hào)。

2.4 位線選擇與存儲(chǔ)陣列

位線選擇電路包括讀寫放大器和多路選擇器。圖9為一個(gè)位線選擇單元，根據(jù)最低兩位數(shù)據(jù)地址來選擇4組位線，由讀寫控制脈沖RSE和WSE決定對(duì)位線進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。這就意味著在一個(gè)周期內(nèi)，并不是對(duì)任意兩個(gè)讀寫地址都可以進(jìn)行操作，也就是說，進(jìn)行“雙存取”的兩個(gè)地址必須相近，這也是可以實(shí)現(xiàn)“雙存取”的關(guān)鍵。

圖9 位線選擇單元電路Fig.9 Bit line selection cell

圖10 存儲(chǔ)陣列局部Fig.10 Part ofmemory array

存儲(chǔ)陣列的結(jié)構(gòu)如圖10。存儲(chǔ)單元為常用的6管SRAM單元，進(jìn)行讀寫操作時(shí)，OE由低變高，預(yù)充電管關(guān)閉，通過讀寫放大器對(duì)位線的充電與放電來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫。

3 仿真驗(yàn)證

為了使仿真結(jié)果準(zhǔn)確，輸入波形應(yīng)該與實(shí)際情況一致，先用ModelSim對(duì)整體DSP芯片進(jìn)行仿真，然后觀察DARAM的輸入端，按照所得的輸入信號(hào)再單獨(dú)對(duì)DARAM進(jìn)行仿真，由于電路中既有數(shù)字電路也有模擬電路，所以采用數(shù)模混合仿真的方法，用ADvance MS對(duì)該電路進(jìn)行仿真[6]。仿真波形如圖11。

圖11 ADvance MS仿真波形Fig.11 Simulation waveform by Advance MS

在4個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，對(duì)DARAM進(jìn)行三次寫操作和三次讀操作，數(shù)據(jù)在SCLOCK2上升沿時(shí)寫入，在SCLOCK1上升沿時(shí)讀出，在第二個(gè)周期與第三個(gè)周期內(nèi)，W_en和R_en同時(shí)使能，也就是要在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行兩次操作，進(jìn)行“雙存取”。從兩塊存儲(chǔ)陣列中讀出的數(shù)據(jù)分別為DRD0和DRD1，可以看出，DRD0依次讀出的三組數(shù)據(jù) 0123H、4567H和89ABH即為前一周期寫入的數(shù)據(jù)，說明此電路可以正確的讀寫數(shù)據(jù)，也可以在一個(gè)周期內(nèi)完成一次讀操作和一次寫操作。

4 結(jié)束語

本文以一款國外公司的DSP為例，介紹了其內(nèi)嵌的一塊DARAM的整體電路，給出了關(guān)鍵部分的具體電路，并結(jié)合仿真波形，詳細(xì)介紹了電路的工作原理，最后采用數(shù)模混合仿真的方法，用ADvance MS對(duì)整體的電路進(jìn)行仿真，結(jié)果證明此電路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)周期內(nèi)的“雙存取”功能，可以為DSP乃至SOC中存儲(chǔ)器接口電路的設(shè)計(jì)提供一種參考。

[1]馬汝亮.高性能處理器存取關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].上海:上海交通大學(xué)，2013.

[2]陸禎琦.一種DSP片上存儲(chǔ)機(jī)制及其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海:上海交通大學(xué)，2009.

[3]TI，TMS320LF/LC240XA DSP Controllers System and Peripherals Reference Guide [EB/OL].（2006-05）.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/spru357c/spru357c.pdf

[4]鄭曰，李斌，黃裕泉.一種快速、低壓的電流靈敏放大器的設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2006（6）:130-133 ZHENG Yue，LI Bin，HUANG Yu-quan.A high-speed and low-voltage currentmode sense amplifier[J].Microelectronics，2006（6）:130-133.

[5]李丹.基于DSP芯片存儲(chǔ)器技術(shù)研究與設(shè)計(jì)[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2008.

[6]辛?xí)詫?，李寧?數(shù)?；旌戏抡婀ぞ逜dvance MS使用方法介紹[J].才智，2012（32）:69-70.XIN Xiao-ning，LINing-jia.An introduction of analog-digital mixed-signal simulator ADvance MS[J].Itelligence，2012（32）:69-70.