Сотрудничество
ИСКУССТВО
КРАСОТА И ЗДОРОВЬЕ
РЕМЕСЛО
КУЛЬТУРА И ИСТОРИЯ
РАЗВЛЕЧЕНИЯ
ЭКОЛОГИЯ
ЕДА И НАПИТКИ
ОБРАТНАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
НАУКИ
СПОРТ
ТЕХНОЛОГИИ
НОСИМЫЕ УСТРОЙСТВА
Встроенный SRAM: дышащий свет, хранящийся в собственной памяти вашего чипа
English
Youblob (simulation output) · CC0
Ed

Создано

Ed

29. сентябрь 2026FI
51
0
0
0
0

Встроенный SRAM: дышащий свет, хранящийся в собственной памяти вашего чипа

Шаблон wafer.space поставляется с двумя макросами SRAM в своём примерном проекте, по 512 байт каждый, и оставляет их выключенными. Макрос — это готовый блок памяти из PDK: 4 096 статических ячеек памяти, однажды спроектированных вместе с дешифратором адреса и схемами считывания, который вы размещаете целиком, а не собираете из логических вентилей. Эта ступень включает один из них. PWM диммер из предыдущей ступени теперь воспроизводит шаблон: микроконтроллер записывает 256 байт в чип через свои контактные площадки один раз, а затем чип сам считывает их по одному байту на каждом шаге, как яркость медленно дышащего света. Ядро и его тестовое окружение были запущены для этого блюпринта с Icarus Verilog 12.0, cocotb 2.1.0 и собственной симуляционной моделью PDK для макроса SRAM: выход повторял сохранённую таблицу в течение 600 PWM периодов. Картинка — собственный вывод этой симуляции, по одной полосе на период. Скетч ESP32, который загружает таблицу, был скомпилирован для этого блюпринта; чипа, на котором его можно запустить, пока нет.
Продвинутый
Вечер и чип

Инструкции

1

Закономерность, тайминг и размер

Загрузка блокнота Jupyter…
2

Что представляет собой каждый из 4 096 битов

На встроенной схеме показано, как один бит статической памяти удерживает себя: петля из двух инверторов. Макрос на этой ступени — это 4 096 битов статической памяти в одном массиве.
3

Выводы макроса и три вещи, которые говорит его модель

gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1 хранит 512 байт. Его выводы: CLK; A — 9-битный адрес; D — байт для записи; Q — прочитанный байт. Три управляющих сигнала все активны LOW. CEN в 0 включает память. GWEN в 0 делает фронт тактового сигнала записью, в 1 — чтением. WEN содержит по одному биту на каждый бит данных, и 0 разрешает запись этого бита, поэтому запись может изменить одни биты байта и оставить другие без изменений. Чтение модели симуляции PDK показывает три важных момента. Во-первых, память работает только после того, как CEN перешёл с 1 на 0; в противном случае модель выводит "CEN is not reset, memory is not operational", поэтому ядро удерживает CEN в 1 во время сброса и опускает его после. Во-вторых, чтение выдаёт mem[A] на Q сразу после фронта тактового сигнала, которым был зафиксирован A, поэтому данные готовы через один такт. В-третьих, модель стартует с нулями во всех байтах. Реальный чип так не делает: его SRAM при включении содержит то, что оказалось в каждой ячейке, поэтому проект должен выполнить запись до чтения. Пример из шаблона связывает CEN с 1, поэтому два его макроса выключены. Файлы временных характеристик дают минимальный период тактового сигнала макроса 6.6 нс при типичном угле 5 В и 18.3 нс при медленном угле 3.0 В и 125 °C, оба значения заметно меньше 40 нс шаблона.
4

The core

src/chip_core.sv for the pattern player, with the template's port list unchanged plus one parameter, HOLD_LOG2. Input pad 0 enables, pad 1 selects LOAD mode, pad 2 is the write strobe; bidirectional pads 0 to 7 carry the byte, pad 8 the PWM. The LOAD and strobe pads are passed through two flip-flops before use, a synchroniser: they change whenever the outside world likes, not in step with the chip's clock, and a flip-flop caught mid-change can hover between 0 and 1 for a while. In play mode, each time HOLD_LOG2 periods have passed, the byte the SRAM has been reading becomes the new duty and the address moves on.
chip_core.svsystemverilog
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
// Youblob silicon rung 5: the PWM dimmer plays a brightness pattern stored in the on-chip SRAM macro.
// Port list unchanged from wafer-space/gf180mcu-project-template src/chip_core.sv.

`default_nettype none

module chip_core #(
    parameter NUM_INPUT_PADS,
    parameter NUM_BIDIR_PADS,
    parameter NUM_ANALOG_PADS,
    parameter HOLD_LOG2 = 9        // each table entry lasts 2**HOLD_LOG2 PWM periods
    )(
    `ifdef USE_POWER_PINS
    inout  wire VDD,
    inout  wire VSS,
    `endif

    input  wire clk,       // clock
    input  wire rst_n,     // reset (active low)

    input  wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_in,   // Input value
    output wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_pu,   // Pull-up
    output wire [NUM_INPUT_PADS-1:0] input_pd,   // Pull-down

    input  wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_in,   // Input value
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_out,  // Output value
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_oe,   // Output enable
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_cs,   // Input type (0=CMOS Buffer, 1=Schmitt Trigger)
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_sl,   // Slew rate (0=fast, 1=slow)
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_ie,   // Input enable
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_pu,   // Pull-up
    output wire [NUM_BIDIR_PADS-1:0] bidir_pd,   // Pull-down

    inout  wire [NUM_ANALOG_PADS-1:0] analog  // Analog
);

    // Input pad 0: enable.  Input pad 1: LOAD mode.  Input pad 2: write strobe.
    // Bidir pads 0..7: the byte to store while loading.  Bidir pad 8: the PWM output.
    localparam DUTY_W = 8;
    localparam PWM_PAD = 8;

    assign input_pu = '0;
    assign input_pd = '0;
    assign bidir_oe = {{(NUM_BIDIR_PADS-DUTY_W){1'b1}}, {DUTY_W{1'b0}}};
    assign bidir_ie = ~bidir_oe;
    assign bidir_cs = {{(NUM_BIDIR_PADS-DUTY_W){1'b0}}, {DUTY_W{1'b1}}};
    assign bidir_sl = '0;
    assign bidir_pu = '0;
    assign bidir_pd = '0;

    wire enable = input_in[0];
    wire [DUTY_W-1:0] data_in = bidir_in[DUTY_W-1:0];

    // The mode and strobe pads change whenever the outside world likes, not in step with clk:
    // two flip-flops in a row (a synchroniser) before anything uses them.
    logic [1:0] load_s;
    logic [2:0] strobe_s;
    always_ff @(posedge clk) begin
        load_s   <= {load_s[0], input_in[1]};
        strobe_s <= {strobe_s[1:0], input_in[2]};
    end
    logic load_was;
    wire load        = load_s[1];
    wire load_start  = load & ~load_was;
    wire strobe_rise = strobe_s[1] & ~strobe_s[2];
    always_ff @(posedge clk) load_was <= load;

    // The SRAM wants its chip enable (CEN, active LOW) to go 1 -> 0 before it works:
    // hold it at 1 through reset, then 0.
    logic cen;
    always_ff @(posedge clk) cen <= !rst_n;

    // PWM counter and the "hold" counter that decides when to step to the next table entry.
    logic [DUTY_W-1:0] count;
    logic [HOLD_LOG2:0] hold;                   // one bit wider so HOLD_LOG2 = 0 still works
    wire period_end = (count == '1);
    localparam logic [HOLD_LOG2:0] HOLD_MASK = (1 << HOLD_LOG2) - 1;   // 0 when HOLD_LOG2 = 0
    wire step = period_end && ((hold & HOLD_MASK) == HOLD_MASK);

    logic [DUTY_W-1:0] addr;
    logic [DUTY_W-1:0] duty;
    wire  [DUTY_W-1:0] q;                       // SRAM read data: mem[addr], one clock after addr

    always_ff @(posedge clk) begin
        if (!rst_n) begin
            count <= '0;  hold <= '0;  addr <= '0;  duty <= '0;
        end else if (load) begin
            count <= '0;  hold <= '0;  duty <= '0;
            if (load_start)       addr <= '0;       // every load starts at entry 0
            else if (strobe_rise) addr <= addr + 1'b1;
        end else if (enable) begin
            count <= count + 1'b1;
            if (period_end) hold <= hold + 1'b1;
            if (step) begin
                duty <= q;                          // the entry that was being read
                addr <= addr + 1'b1;                // and move on to the next
            end
        end
    end

    `gf180mcu_xxx_ip_sram__sram512x8m8wm1 sram_0 (
        `ifdef USE_POWER_PINS
        .VDD  (VDD),
        .VSS  (VSS),
        `endif
        .CLK  (clk),
        .CEN  (cen),                                   // active low: 0 = on
        .GWEN (~(load && strobe_rise)),                // active low: 0 = write this clock
        .WEN  (8'b0),                                  // active low, per bit: write all eight
        .A    ({1'b0, addr}),                          // 256 of the 512 bytes
        .D    (data_in),
        .Q    (q)
    );

    logic pwm;
    always_ff @(posedge clk) begin
        if (!rst_n) pwm <= 1'b0;
        else        pwm <= enable && !load && (count < duty);
    end

    logic [NUM_BIDIR_PADS-1:0] out;
    always_comb begin
        out = '0;
        out[PWM_PAD] = pwm;
    end
    assign bidir_out = out;

    // Inputs this design does not read (keeps lint quiet, as the template does with _unused).
    logic _unused;
    assign _unused = &{1'b0, input_in[NUM_INPUT_PADS-1:3], bidir_in[NUM_BIDIR_PADS-1:DUTY_W], hold[HOLD_LOG2]};

endmodule

`default_nettype wire

Необходимые инструменты:

Настольный компьютерНастольный компьютер
5

The test

test_pattern.py builds the core with the PDK's SRAM model, gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v, at the template's 25 MHz and with HOLD_LOG2 = 0 so the whole table plays in 256 periods. It loads the table through the pads the way the ESP32 will, then counts the high clocks in each of 600 PWM periods and requires them to follow the table from exactly one starting point. A second test loads again and checks the new pattern replaced the old.
test_pattern.pypython
# SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
# cocotb testbench for the SRAM pattern player, with the PDK's own SRAM simulation model
# (gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1, gf180mcuD, the commit the template pins).
import math
import os
from pathlib import Path

import cocotb
from cocotb.clock import Clock
from cocotb.triggers import ClockCycles, FallingEdge, RisingEdge
from cocotb_tools.runner import get_runner

PWM_PAD = 8
EN, LOAD, STROBE = 1, 2, 4                      # input pad bits
SRAM = Path(os.getenv("PDK_ROOT", "pdk")) / "gf180mcuD" / "libs.ref" / "gf180mcu_fd_ip_sram" / "verilog"


def breathing_table(n=256, gamma=2.2):
    """One slow breath: a raised sine, gamma-corrected so equal steps LOOK equal to the eye."""
    return [round(255 * ((1 - math.cos(2 * math.pi * i / n)) / 2) ** gamma) for i in range(n)]


async def start(dut):
    cocotb.start_soon(Clock(dut.clk, 40, unit="ns").start())   # 25 MHz, the template's CLOCK_PERIOD
    dut.input_in.value = 0
    dut.bidir_in.value = 0
    dut.rst_n.value = 0
    await ClockCycles(dut.clk, 5)
    dut.rst_n.value = 1
    await ClockCycles(dut.clk, 2)


async def load(dut, table):
    """What a microcontroller on the breakout does: LOAD high, then per byte set the data pads,
    raise the strobe, wait, lower it. The chip synchronises the strobe, so hold each for 4 clocks."""
    dut.input_in.value = LOAD
    await ClockCycles(dut.clk, 4)
    for b in table:
        dut.bidir_in.value = b
        await ClockCycles(dut.clk, 1)
        dut.input_in.value = LOAD | STROBE
        await ClockCycles(dut.clk, 4)
        dut.input_in.value = LOAD
        await ClockCycles(dut.clk, 4)
    dut.input_in.value = 0
    await ClockCycles(dut.clk, 4)


async def highs_per_period(dut, periods):
    """High clocks in each PWM period, counted from the core's own count = 0."""
    while int(dut.count.value) != 0:
        await RisingEdge(dut.clk)
    out = []
    for _ in range(periods):
        n = 0
        for _ in range(256):
            await FallingEdge(dut.clk)
            n += int(dut.bidir_out.value[PWM_PAD])
        out.append(n)
    return out


@cocotb.test()
async def test_plays_the_table(dut):
    """Load a 256-entry breathing table, play it: each period's high time is the next entry."""
    table = breathing_table()
    await start(dut)
    await load(dut, table)
    dut.input_in.value = EN
    got = await highs_per_period(dut, 600)
    # the output starts part-way through the table; find where, then demand every period match
    fits = [off for off in range(256) if all(got[j] == table[(j + off) % 256] for j in range(2, 600))]
    dut._log.info(f"first periods {got[:8]}, table aligns at offset {fits}")
    Path(__file__).resolve().parent.joinpath("pattern_trace.csv").write_text("\n".join(map(str, got)))
    assert len(fits) == 1, f"the output does not follow the table (offsets that fit: {fits})"


@cocotb.test()
async def test_reload(dut):
    """Loading again replaces the pattern: a flat 64 gives 64 high clocks every period."""
    await start(dut)
    await load(dut, breathing_table())
    await load(dut, [64] * 256)
    dut.input_in.value = EN
    got = await highs_per_period(dut, 40)
    assert all(g == 64 for g in got[2:]), got


def test_runner():
    here = Path(__file__).resolve().parent
    defines = {"gf180mcu_xxx_ip_sram__sram512x8m8wm1": "gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1"}
    runner = get_runner("icarus")
    runner.build(
        sources=[SRAM / "gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v", here / "chip_core.sv"],
        hdl_toplevel="chip_core",
        parameters={"NUM_INPUT_PADS": 4, "NUM_BIDIR_PADS": 38, "NUM_ANALOG_PADS": 4, "HOLD_LOG2": 0},
        defines=defines,
        build_args=["-g2012"],
        timescale=("1ns", "1ps"),
        always=True,
    )
    runner.test(hdl_toplevel="chip_core", test_module="test_pattern")


if __name__ == "__main__":
    test_runner()

Необходимые инструменты:

Настольный компьютерНастольный компьютер
6

Что напечатала симуляция

Запуск этого блюпринта с Icarus Verilog 12.0 и cocotb 2.1.0: -------- MESSAGE: CEN только что сброшен, память работает --------- test_pattern.test_plays_the_table PASS (600 периодов, таблица совпадает ровно при одном смещении) test_pattern.test_reload PASS TESTS=2 PASS=2 FAIL=0 SKIP=0 Чтобы доказать, что тест может упасть, WEN был изменён с 8'b0 на 8'hFF — классическая ошибка с активным низким сигналом: все биты замаскированы, ничего не записано, таблица из нулей. Оба теста упали, после чего ядро вернули в исходное состояние. Первая строка — собственное сообщение модели SRAM: ядро опустило CEN после сброса, как и требует модель.
7

Load it from an ESP32

Once the chip is on its breakout board, this sketch writes the table. Eight GPIOs carry the byte, three more drive LOAD, the strobe and enable, and an LED with a 330 ohm resistor from pad 8 to ground shows the breath. Each level is held for 1 microsecond, 25 of the chip's clocks, so the synchroniser always sees it. The sketch then does nothing: the pattern lives in the chip. It is lost when the chip loses power, so send r over serial to load it again. The ESP32 is a 3.3 V part and its inputs are not 5 V tolerant. The sketch only drives the chip and never reads from it. The template's default libraries are the 5 V ones; before you connect, check in the I/O library's documentation that 3.3 V is a valid logic high for your chip's inputs, or build with the 3.3 V libraries, as the template's README shows. The sketch compiles for the ESP32 with the Arduino ESP32 core 3.3.12; it has not been run, because the chip does not exist yet.
load_pattern.inocpp
// SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
// Load a breathing pattern into your chip's SRAM through its pads, then let the chip play it.
// Youblob silicon rung 5. The chip does the playing; this board only writes 256 bytes once.
//
// Wiring (ESP32 GPIO -> chip pad on your breakout):
//   D0..D7  GPIO 13,14,18,19,21,22,23,25 -> bidir[0..7]
//   LOAD    GPIO 26 -> input[1]
//   STROBE  GPIO 27 -> input[2]
//   EN      GPIO 32 -> input[0]
//   and a common ground. The chip's bidir[8] drives an LED through 330 ohm to ground.
// The ESP32 is a 3.3 V part: run the chip's I/O at 3.3 V, or put a level shifter between them.

#include <math.h>

const int DATA_PINS[8] = {13, 14, 18, 19, 21, 22, 23, 25};
const int PIN_LOAD = 26, PIN_STROBE = 27, PIN_EN = 32;

// The chip passes LOAD and STROBE through a two-flip-flop synchroniser and looks for the strobe's
// rising edge, so every level has to last a few of ITS clocks. 1 us is 25 clocks at 25 MHz.
const unsigned HOLD_US = 1;

uint8_t table[256];

void makeBreathingTable() {
  // a raised sine, gamma-corrected (2.2) so the brightness steps look even to the eye
  for (int i = 0; i < 256; i++) {
    float s = (1.0f - cosf(2.0f * PI * i / 256.0f)) / 2.0f;
    table[i] = (uint8_t)lroundf(255.0f * powf(s, 2.2f));
  }
}

void putByte(uint8_t b) {
  for (int bit = 0; bit < 8; bit++) digitalWrite(DATA_PINS[bit], (b >> bit) & 1);
  delayMicroseconds(HOLD_US);            // data settles before the strobe
  digitalWrite(PIN_STROBE, HIGH);        // the chip writes on the strobe's rising edge...
  delayMicroseconds(HOLD_US);            // ...a few of its clocks later, so hold the data
  digitalWrite(PIN_STROBE, LOW);
  delayMicroseconds(HOLD_US);
}

void loadTable() {
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);
  digitalWrite(PIN_LOAD, HIGH);          // entering LOAD resets the chip's address to 0
  delayMicroseconds(HOLD_US);
  for (int i = 0; i < 256; i++) putByte(table[i]);
  digitalWrite(PIN_LOAD, LOW);
  delayMicroseconds(HOLD_US);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  for (int bit = 0; bit < 8; bit++) pinMode(DATA_PINS[bit], OUTPUT);
  pinMode(PIN_LOAD, OUTPUT);
  pinMode(PIN_STROBE, OUTPUT);
  pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  digitalWrite(PIN_STROBE, LOW);

  makeBreathingTable();
  loadTable();
  digitalWrite(PIN_EN, HIGH);            // play
  Serial.println("pattern loaded; the chip is playing it on its own");
  Serial.printf("table[0]=%u table[64]=%u table[128]=%u\n", table[0], table[64], table[128]);
}

void loop() {
  // Nothing to do: the pattern lives in the chip's SRAM now.
  // Send 'r' over serial to load it again (the SRAM loses it when the chip loses power).
  if (Serial.available() && Serial.read() == 'r') {
    loadTable();
    digitalWrite(PIN_EN, HIGH);
    Serial.println("reloaded");
  }
}

Материалы для этого шага:

Кристалл заказной ASICКристалл заказной ASIC1 штука
Печатная платаПечатная плата1 штука
Светодиод 5 ммСветодиод 5 мм1 штука
Резистор 330 ОмРезистор 330 Ом1 штука

Необходимые инструменты:

Отладочная плата ESP32Отладочная плата ESP32
Макетная платаМакетная плата
Соединительные проводаСоединительные провода
Настольный компьютерНастольный компьютер
8

Шаблон, который не сохраняется или не воспроизводится

Устранение неполадок с шаблоном SRAM.

Flow

Loading...
9

Источники и честные ограничения

**Источники**, прочитано 29 сентября 2026: GF180MCU PDK на коммите, который фиксирует шаблон (gf180mcuD, f6eeac7dad085ffcc829ccfd721f7b4ce39edcf7, из релизов fossi-foundation ciel; Apache-2.0): модель SRAM gf180mcu_fd_ip_sram__sram512x8m8wm1.v, её LEF для контура и её файлы синхронизации для минимального периода тактового сигнала; файл синхронизации библиотеки стандартных ячеек для площади триггера. Репозиторий wafer-space/gf180mcu-project-template (src/chip_core.sv, src/chip_top.sv, README.md, librelane/config.yaml; Apache-2.0). **Честные ограничения.** Симуляция выполнена на уровне chip_core, с собственной моделью SRAM, но без кольца контактных площадок, синтеза и топологии; проверки синхронизации в модели здесь ничего не решают. Эскиз ESP32 был скомпилирован, но не запускался. HOLD_LOG2 в тесте был равен 0, чтобы он завершился; в чипе использовалось бы 9, это дыхание около 1,3 с.

Материалы

4

Требуемые инструменты

4

CC0 Общественное достояние

Этот чертёж выпущен под лицензией CC0. Вы можете свободно копировать, изменять, распространять и использовать эту работу в любых целях без запроса разрешения.

Поддержите мейкера, покупая товары через его чертёж, где он получает Комиссию мейкера установленную продавцами, или создайте новую итерацию этого чертежа и включите его как связь в свой чертёж для распределения дохода.

Обсуждение

(0)

Войти чтобы присоединиться к обсуждению

Загрузка комментариев...