一种DSP内嵌DARAM的电路设计与ADvance MS仿真验证 微处理器, 存储器, 程序, 接口, 如何

yuyang911220

摘要：介绍了一种DSP芯片内嵌DARAM的电路结构，详细分析了接口电路中各个模块的功能，包括地址译码电路，字线译码电路，位线选择电路及控制电路四部分内容。着重介绍了控制电路的原理，及如何实现一个周期“双存取”的功能。利用数模混合仿真工具ADvance MS对整体电路进行仿真，结果证明DARAM可以在一个时钟周期内完成一次读和一次写操作，实现预期的功能，为DSP设计乃至SOC的设计工作提供了参考。
在复杂的系统级微处理器设计中，存储器负责系统程序和数据的储存，是整个系统的重要组成部分，在CPU执行指令的过程中，要经常被访问存储器，所以存储器的读写速度会影响指令执行的速度。RAM是系统芯片中常用的存储器，用来存放数据，普通的RAM在一个时钟周期内只能进行一次读或写操作，即CPU在一个时钟周期内只能访问存储器一次，称为单存取随机存储器(Single-Access On-Chip RAM)，而双存取随机存储器(Dual-Access On-Chip RAM)可以在一个吋钟周期内进行数据的读和写两次操作。利用DARAM一个周期内“双存取”的特点，可以大幅提高CPU执行指令的速度，进而提高整个系统的性能。
1 DARAM整体电路
DARAM整体电路如图1所示，该DARAM的大小为256字x 16位，用来存储数据，输入信号为两相不交叠时钟SCLOCK1和SCLOCK2，数据写总线DWE，数据读地址总线DRA和数据写地址总线DWA，读使能R_en和写使能W_en(高电平有效)，输出信号为数据读总线DRD。
一种DSP内嵌DARAM的电路设计与ADvance MS仿真验证
DARAM的存储阵列根据地址的高低分为大小相等的两块，接口电路主要包括地址译码、地址选择、字线译码、位线选择和控制电路几个部分。其中，控制电路中的读写使能信号与内部时钟共同作用产生的脉冲信号，会使地址选择电路在一个时钟周期内的高低电平部分，分别输出读地址和写地址，这样就可以使位线选择电路在一个周期内进行读写两次操作，这是接口电路中的重要部分，也是随机存储器可以进行“双存取”的关键。
2 DARAM电路设计
2.1 地址译码
该DARAM的物理地址为0300H-03FFH，所以读写地址的高8位必须为“0000_0011”，地址译码电路的功能就是判断高8位地址是否匹配，如果地址匹配W_en和R_en才会输入到控制电路。
2.2 控制电路
控制电路实现的功能有：产生内部时钟，读写脉冲信号和预充电控制信号OE。
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图2中SCLOCK1和SCLOCK2高电平不交叠，当SCLOCK1为高时输出0，SCLOCK2为高时输出1，都为低时输出保持不变，这样两相时钟就转换成一相内部时钟CLK，如图3。
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图4产生的读写脉冲信号Rs与Ws会控制地址选择模块。W_en经过一个高电平触发的触发器，是为了寄存半个周期的时间，使输出的读脉冲Rs和写脉冲Ws交替产生，形成单周期双脉冲，是可以实现“双存取”的关键。
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图5电路中，当进行读操作时，R_en为高，在时钟上跳的瞬间，由于逻辑门的延迟，输出信号会出现一小段低电平，之后再升高，这样就产生了一个很窄的脉冲Rss，见图6。类似的，由SCLOCK2和W_en也会产生写信号窄脉冲Wss。
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Rss与Wss并不是最后控制读写放大器的控制脉冲，因为读出与写入数据的时间很关键，也就是说脉冲的宽度要很精确，读脉冲如果过宽的话不仅会增大灵敏放大器的能量消耗，也会减慢数据读出的速度，时间要恰好使位线上的电压可以满足灵敏放大器的灵敏度，而写脉冲如果太窄，数据会无法写入，所以要设计的恰到好处。
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图7所示电路可以产生读写控制脉冲和预充电控制信号。RSE是读脉冲，WSE是写脉冲，OE是预充电控制信号，由读写地址的第7位A7选择要控制的存储块。负载电容的大小就决定了读写脉冲的宽度，所以需经过精确设计。最终输出的波形如图8。
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2.3 地址选择
由控制电路产生的Rs和Ws会控制DRA和DWA低8位的传输，使两条地址总线有选择性的输出，产生一条8位的读写地址总线，其中地址[1：0]经过译码会控制四条位线，进行位线选择，地址[6：2]会进行字线译码，地址经过控制电路产生存储阵列的块选择信号。
2.4 位线选择与存储阵列
位线选择电路包括读写放大器和多路选择器。图9为一个位线选择单元，根据最低两位数据地址来选择4组位线，由读写控制脉冲RSE和WSE决定对位线进行读或写操作。这就意味着在一个周期内，并不是对任意两个读写地址都可以进行操作，也就是说，进行“双存取”的两个地址必须相近，这也是可以实现“双存取”的关键。
一种DSP内嵌DARAM的电路设计与ADvance MS仿真验证
存储阵列的结构如图10。存储单元为常用的6管SRAM单元，进行读写操作时，OE由低变高，预充电管关闭，通过读写放大器对位线的充电与放电来实现数据读写。
3 仿真验证
为了使仿真结果准确，输入波形应该与实际情况一致，先用ModelSim对整体DSP芯片进行仿真，然后观察DARAM的输入端，按照所得的输入信号再单独对DARAM进行仿真，由于电路中既有数字电路也有模拟电路，所以采用数模混合仿真的方法，用ADvance MS对该电路进行仿真。仿真波形如图11。
一种DSP内嵌DARAM的电路设计与ADvance MS仿真验证
在4个时钟周期内，对DARAM进行三次写操作和三次读操作，数据在SCLOCK2上升沿时写入，在SCLOCK1上升沿时读出，在第二个周期与第三个周期内，W_en和R_en同时使能，也就是要在一个周期内进行两次操作，进行“双存取”。从两块存储阵列中读出的数据分別为DRD0和DRD1，可以看出，DRD0依次读出的三组数据0123H、4567H和89ABH即为前一周期写入的数据，说明此电路可以正确的读写数据，也可以在一个周期内完成一次读操作和一次写操作。
4 结束语
本文以一款国外公司的DSP为例，介绍了其内嵌的一块DARAM的整体电路，给出了关键部分的具体电路，并结合仿真波形，详细介绍了电路的工作原理，最后采用数模混合仿真的方法，用ADvance MS对整体的电路进行仿真，结果证明此电路可以实现一个周期内的“双存取”功能，可以为DSP乃至SOC中存储器接口电路的设计提供一种参考。