一种DSP内嵌DARAM的电路设计与ADvance MS仿真验证

辛晓宁，沙 江

（沈阳工业大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870）

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[1]。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）可以在一个时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[2]。

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[3]。

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。

图1 DARAM整体结构图Fig.1 The DARAM structure block

图2 内部时钟产生电路Fig.2 Internal clock generating circuit

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。

图3 内部时钟CLK的波形Fig.3 Waveform of the internal clock CLK

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。

图4 读写脉冲产生电路Fig.4 Pulse generating circuit of read and write

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。

图5 读信号窄脉冲Rss产生电路Fig.5 Narrow pulse generating circuit of read

图6 Rss波形Fig.6 Waveform of Rss

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[4-5]。

图7 预充电控制信号产生电路Fig.7 Control signal generating circuit of precharge

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。

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

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[7]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。

图9 位线选择单元电路Fig.9 Bit line selection cell

图10 存储阵列局部Fig.10 Part ofmemory array

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[6]。仿真波形如图11。

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

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别为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。

[1]马汝亮.高性能处理器存取关键技术的设计与优化[D].上海:上海交通大学，2013.

[2]陆祯琦.一种DSP片上存储机制及其系统的设计与实现[D].上海:上海交通大学，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]郑曰，李斌，黄裕泉.一种快速、低压的电流灵敏放大器的设计[J].微电子学与计算机，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芯片存储器技术研究与设计[D].长沙:国防科学技术大学，2008.

[6]辛晓宁，李宁家.数模混合仿真工具Advance MS使用方法介绍[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.