FLEX10K系列EAD的應(yīng)用

摘要：FLEX 10K是ALTERA公司研制的第一個(gè)嵌入式的PLD可編程邏輯器件系列。它具有高密度、低成本、低功率等特點(diǎn)，利用FLEX 10K系列CPLD可編程邏輯器件的EAB可在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)邏輯功能和存貯功能，文中介紹了EAB的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例，同時(shí)給出了采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的VHD的文件及其具體代碼。

關(guān)鍵詞：CPLD 嵌入式陣列塊（EAB） FIFO 雙端口RAM VHDL

1 概述

FLEX 10K是ALTERA公司研制的第一個(gè)嵌入式的PLD，它具有高密度、低成本、低功率等特點(diǎn)，是當(dāng)今ALTERA CPLD中應(yīng)用前景最好的器件系列之一。它采用了重復(fù)可構(gòu)造的CMOS SRAM工藝，并把連續(xù)的快速通道互連與獨(dú)特的嵌入式陣列結(jié)構(gòu)相結(jié)合，同時(shí)可結(jié)合眾多可編程器件來(lái)完成普通門(mén)陣列的宏功能。每一個(gè)FLEX 10K器件均包括一個(gè)嵌入式陣列和一個(gè)邏輯陣列，因而設(shè)計(jì)人員可輕松地開(kāi)發(fā)集存貯器、數(shù)字信號(hào)處理器及特殊邏輯等強(qiáng)大功能于一身的芯片。

EAB（Embedded Array Blocks）的概念源于門(mén)陣列的嵌入式功能，為了使復(fù)雜的功能在盡可能小的硅片上得以實(shí)現(xiàn)，通常需把定制的硅片放在門(mén)陣列基片之上。Altera公司首先把這一技術(shù)應(yīng)用于FLEX 10K器件系列。

FLEX 10K中的嵌入式陣列由一系列具有實(shí)現(xiàn)邏輯功能和存貯功能的FAB組成。EAB是在輸入、輸出口上帶有寄存器的RAM塊，利用它可以非常方便地實(shí)現(xiàn)一些規(guī)模不太大的ROM、RAM、雙端口RAM和FIFO等功能。

2 EAB的結(jié)構(gòu)

每個(gè)FLEX 10K中的EAB均含有2048bit的RAM。另外，每個(gè)EAB單元中還包括數(shù)據(jù)區(qū)、總線和讀/寫(xiě)控制等幾部分。圖1所示為EAB單元的內(nèi)都結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)區(qū)是EAB的核心部分，每個(gè)EAB包含2048bit的RAM，同時(shí)又可根據(jù)數(shù)據(jù)線/地址線的不同設(shè)置將其寬度調(diào)整為2048×1bit，1024×2bit，512×4bit，256×8bit等。

總線是指EAB中所包括的三條總線，即輸入數(shù)據(jù)總線、地址總線和輸出數(shù)據(jù)總線。其中輸入數(shù)據(jù)總線可以配制成8bit、4bit、2bit或1bit位寬；地址總線同數(shù)據(jù)總線相適應(yīng)，具有8bit、9bit、10bit或11bit位寬；而輸出數(shù)據(jù)總線則與輸入總線相對(duì)應(yīng)，這三條總線都設(shè)計(jì)有同步/異步兩種工作方式。

第三部分為讀/寫(xiě)控制部分。當(dāng)EAB用于異步RAM電路時(shí)，必須外加RAM寫(xiě)使能信號(hào)WE，以保證數(shù)據(jù)和地址信號(hào)滿(mǎn)足其時(shí)序要求，而當(dāng)EAB用作同步RAM時(shí)，它可以產(chǎn)生相對(duì)其全局時(shí)鐘信號(hào)的WE信號(hào)。EAB的RAM與EPGA中的分布式RAM不同，F(xiàn)LEX 10k EAB能夠信號(hào)可預(yù)測(cè)的定時(shí)關(guān)系，而且EAB的寫(xiě)使能信號(hào)（WE）即可與輸入時(shí)鐘同步工作，也可以異步工作。另外，EAB還包含用于同步設(shè)計(jì)的輸入寄存器、輸出寄存器和地址寄存器。EAB的輸出可以是寄存器輸出，也可以是組合輸出，EAB RAM的大小很靈活，因此，它既可以配置成256×8、512×4，也可以配置成1024×2或2048×1。FLEX 10K器件的EAB資源如表1所列。EAB的RAM資源較為豐富，可用來(lái)設(shè)計(jì)RAM、FIFO及雙端口RAM等許多應(yīng)用電路。

表1 FLEX 1K器件EAB資源

3 FLEX 10K的應(yīng)用

3.1 RAM的設(shè)計(jì)

RAM的設(shè)計(jì)分同步RAM或異步RAM，當(dāng)設(shè)計(jì)同步RAM時(shí)，DATA信號(hào)和ADDRESS信號(hào)應(yīng)在EAB中鎖存。包括WE在內(nèi)，所有信號(hào)均應(yīng)在EAB內(nèi)完成，這樣可以排除一些可能破壞數(shù)據(jù)時(shí)序的潛在故障。當(dāng)WE信號(hào)被鎖定為高時(shí)，EAB內(nèi)部電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與DATA信號(hào)和ADDRESS信號(hào)的建立和保持時(shí)間相匹配的寫(xiě)脈沖。而在用異步RAM方式時(shí)，一定要遵從以下幾個(gè)原則：

（1）WE信號(hào)一定要避免那些可能會(huì)無(wú)意覆蓋RAM區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)序。

（2）WE信號(hào)的建立與保持時(shí)間一定要與DATA和ADDRESS信號(hào)相適應(yīng)。

（3）當(dāng)WE=1時(shí)，ADDRESS信號(hào)不能發(fā)生變化。由于FLEX 10K器件都有多個(gè)EAB，所以可由多個(gè)EAB來(lái)構(gòu)成所需要的RAM。

LPM（Library Of Parameterized Modules）是一個(gè)參數(shù)化的模塊庫(kù)，它是優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)人員和軟件人員智慧的結(jié)晶。通過(guò)修改LPM器件的某些參數(shù)，可很容易地到達(dá)設(shè)計(jì)要求。下面的RAM（VHD）文件是一個(gè)寄存器輸入、寄存器輸出的1k×8RAMr VHDL設(shè)計(jì)代碼：

RAM.VHD

Library ieee;

Use ieee,std_logic_1164.all;

Library lpm;

Use lpm.lpm-components.all;

Entity LL is Generic (data-width:integer:=8;addr-width:interer:=10)；

Port (data:in std-logic-vector(data-width-1downto 0);

addresss:in std-logic-vector(addr-width-1 downto 0));

End LL;

Architcture RAM of LL is Begin

U1:lpm-ram-dp

Generic map (lpm-widthad=>addr-width,lmp-width=>data-width)

Prot map(data=>data,address=>address,we q=q);

End；

輸入

data[ ]: 數(shù)據(jù)輸入RAM

address[ ]:地址輸入RAM

we: 寫(xiě)使能

inclock :同步輸入時(shí)鐘

outclock: 同步輸出時(shí)鐘

輸出

q[ ]： 數(shù)據(jù)輸出

3.2 FIFO的設(shè)計(jì)

FIFO(First-in First-out)存儲(chǔ)器可以從一個(gè)子系統(tǒng)把數(shù)據(jù)流傳送到另一個(gè)子系統(tǒng)。它有輸入和輸出兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的端口，當(dāng)存儲(chǔ)器為非滿(mǎn)載狀態(tài)時(shí)，輸入端允許許高速突發(fā)信息經(jīng)輸入緩沖器存入存儲(chǔ)器，直到存滿(mǎn)為止，只要存儲(chǔ)器中有數(shù)據(jù)就允許將最先寫(xiě)入的內(nèi)容依次通過(guò)輸出緩沖器輸出。FIFO可廣泛應(yīng)用于通信、打印機(jī)、微處理器等設(shè)備中，這些突發(fā)性的數(shù)據(jù)速率往往大于它們所能接受或處理的速率。通常這些系統(tǒng)需要一個(gè)緩沖器對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行存貯，直到較慢的處理進(jìn)程準(zhǔn)備好為止。但數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO緩存的平均速率必須小于或等于數(shù)據(jù)輸出速率。

每個(gè)EAB均提供了一個(gè)2048bit數(shù)據(jù)存貯區(qū)，輸入寄存器可為讀、寫(xiě)指針計(jì)數(shù)器存貯元素。周期共享的FIFO配置將在第一個(gè)時(shí)鐘周期里啟動(dòng)一個(gè)讀操作，并將數(shù)據(jù)鎖存在輸出寄存器中，然后在第二個(gè)時(shí)鐘周期里寫(xiě)入，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)在訪問(wèn)寄存器時(shí)仍有效，利用圖2所示的交織EAB存貯功能可構(gòu)成更高的全局時(shí)鐘速率和更大的FIFO區(qū)域。同時(shí)通過(guò)把同一個(gè)存貯單元分布在不的地址范圍還可以把幾個(gè)FIFO功能集中在同一個(gè)EAB中實(shí)現(xiàn)。一個(gè)512×8且周期共享的FIFO的VHDL代碼如下面的

FIFO.VHD文件所示：

FIFO.VHD

Library ieee;

Use ieee.std_ligic_1164.all;

Libreay lpm;

Use lpm.lpm_components.all;

Entity LL is Generic(data_width:integer:=8;

numwords:integer:=256);

Port(data:in std_logic_vector(data_width_1downto 0);

Wreq,rreq,clock,clockx2,clr,sclr:in std_logic;

Empty,full:out std_logic;

q:out std_logic-,vector(lpm-width-1 downto 0));

end LL;

Architecture FIFO of LL is

Begin

U1:csfifo

Generic map (lpm-width=>data-width,

Lpm-numwords=>numwords)

Port map(data=>data,wreq=>wreq,rreq=>rreq,clock=>clock,

clockx2=>clockx2,Clr=>clr,sclr=>sclr,empty=>

empty,full=>full,q=>q);

End

輸入

data[ ]: 數(shù)據(jù)輸入FIFO

wreq: 寫(xiě)請(qǐng)求

rreq：讀請(qǐng)求

clock：時(shí)鐘，正極性邊沿觸發(fā)

clockx2: 倍頻時(shí)鐘，正極性邊沿觸發(fā)

clr： 復(fù)位清FIFO

sclr: 同步清零

輸出

q[ ]：FIFO數(shù)據(jù)輸出

full：指示FIFO已滿(mǎn)

Empty：指示FIFO已空

3.3 雙端口RAM的設(shè)計(jì)

雙端口RAM有兩套獨(dú)立的地址線、數(shù)據(jù)線和控制信號(hào)線，適用于需要高速共享數(shù)據(jù)緩沖器的系統(tǒng)，實(shí)際上它常作為雙CPU系統(tǒng)的全局存儲(chǔ)器。下面是DTRAM、VHD的文件代碼：

DPRAM.VHD

Library ieee;

Use ieee.std-logic-1164.all;

Library altera;

Use altera.maxplus2.all;

Entity LL is Generic (data-width:integer:=8;Addr-width:integer:=10);

Port(datal:in std_logic_vector(data-width-1 downto 0);

Datar:in std_logic_vector(data_width_1 downto 0);

Addressl:in std_logic_vector(addr_width_1 downto 0);

Addressr:in std_logic_vector(addr_width_1 downto 0)；

Wel,wer:in std_logic;

Clock,clockx2:in std_logic;

Busy:out std_logic;

Q1,qr:out std_logic_vector(data_width_1 downto 0));

End LL;

Architecture DPRAM of LL is Begin

U1:csdpram

Generic map(lpm_width=>data_width,Lpm_widthad=>addr_width,

Lpm_numwords=>1024)

Port map(data=>datal,datab=>datar,Addressa=>addressl,addressb=>addressr,

Wea=>wel,web=>wer,

Clock=>clock,clockx2=>clockx2,

Qa=>ql,qb=>qr,busy=>busy);

End;

輸入

data[ ]：左端口數(shù)據(jù)輸入

datar[ ]：或端口數(shù)據(jù)輸入

addressl [ ]：左端口地址輸入

addressr[ ]：右端口地址輸入

wel：左端口寫(xiě)使能

wer：右端口寫(xiě)使能

clock：時(shí)鐘，正極性邊沿觸發(fā)

clockx2：倍頻時(shí)鐘，正極性邊沿觸發(fā)

輸出

ql[ ]：左端口數(shù)據(jù)輸出

qr [ ]：右端口數(shù)據(jù)輸出

busy：忙信號(hào)，指左、右端口同時(shí)寫(xiě)同一地址