Corrected meaning of z-octet bits 2-4 in IOBs
[slipway.git] / doc / atmel.txt
1 Summary
2
3   This document describes the correlation between publicly documented
4   logic, I/O, and routing resources within the Atmel AT40k/94k family
5   of chips and bits in the bitstreams needed to program them.
6
7   Our goal is to make this information available to the public without
8   restriction on its use, for the purpose of creating automated tools
9   which generate bitstreams.
10
11
12 Statement of Public Knowledge
13
14   The Knowledge encapsulated in this document was derived by formal
15   scientific experimentation, using only information generally
16   available to the public.  Extreme care which has been taken to
17   ensure that the process did not violate any copyright, trademark,
18   trade secret, or patent statutes.  No licensing contracts or
19   non-disclosure agreements were entered into by the parties involved
20   in this endeavor, nor did they have access to any confidential
21   information.
22
23   This document is part of the Public Domain; its authors surrender
24   claim to copyright on it.
25
26
27 Corrections
28
29   If you find errors in this document, please correct them and add the
30   date and a short description of the correction to the table below.
31   This will assist in merging changes made in disjoint derivitaves.
32
33     2005.08.12  [gosset]  Initial revision
34     2006.03.12  [megacz]  Swapped {L1,L0}->W, FB->{L0,L1}, {H0->L0,H1->L1}
35     2006.03.13  [megacz]  Fixed lowest bit of z=00000000; it should be "1"
36     2006.03.13  [megacz]  Corrected meaning of z-octet bits 2-4 in IOBs
37
38 Background
39
40   The Atmel AT40k Datasheet describes in great detail the resources
41   available in the AT40k as well as the FPGA portion of the AT94k
42   (which is functionally identical and uses the same binary
43   configuration format).
44
45   The configuration space used to control these resources consists of
46   a collection of independent octets arranged in a sparse 24-bit
47   address space.  This document correlates those bits with the
48   resources described in the Datasheet.
49
50   The process of configuring the device consists of writing these
51   octets into the configuration memory.  Once the desired
52   configuration octets are known, the procedures for loading them into
53   configuration memory are well documented in Atmel Documents 1009 and
54   2313.
55
56   Each data octet "D" has a 24-bit address, divided into three address
57   octets "X", "Y", and "Z".  In general, the X and Y address octets
58   are related to the physical position of the resource, while the Z
59   octet is related to the type of resource being addressed.
60
61 Notation
62
63   We will use the notation A->B to indicate that setting the
64   corresponding configuration bit high causes source A to drive wire
65   B, and the notation A<>B to indicate that a pass gate between A and
66   B is enabled.  The notation ~A or ~A->B indicates a configuration
67   bit controlling A or causing A to drive B is *active low*
68   (inverted).
69
70   We will use the following terms to describe routing resources.
71   They vary slightly from Atmel's documentation, but are less
72   ambiguous.
73
74    X, Y, W, Z   The cell's inputs
75    XO, YO       The X and Y outputs from the cell (to its neighbors)
76    N, S, E, W   Orthogonal lines: connections to neighboring cells
77    NE,SE,NW,SW  Diagonal lines: connections to neighboring cells
78    S0..S4       Quad lines: four-cell long routing lines
79      H0..H4       Horizontal quad lines
80      V0..V4       Vertical quad lines
81    L0..L4       Switchbox ports: the wires joining FB,H0..H4,V0..V4,X,Y,Z,W
82    G0a..G4b     Global lines: eight-cell long routing lines, in two sets (a+b)
83    FB           The cell's internal feedback line
84    R            The cell's internal register
85    C            The cell's "center" output; can drive the X or Y outputs
86    ZM           The "Z-mux"; the mux which drives the cell's register input
87    WM           The "W-mux"; the mux which drives the third input to the LUTs
88    XL, YL       The output of the X,Y-LUTs
89    IA           The "internal and" gate (W & Z)
90    
91
92 Cartesian Resources
93
94   Although the exact interpretation of the X and Y octets depends on
95   the resource type (Z octet), in most cases the X and Y octets are
96   the cartesian coordinates of the logic cell nearest to the desired
97   resource (0,0 is the lower-left hand logic cell).  This section
98   describes the significance of the Z and D octets for such resources.
99
100   Notes:
101     - The most significant four bits of the Z octet are 0000 for these bits
102     - If WZ->WM and FB->WM are both low, then W->WM.
103     - If ZM->R and YL->R are both low, then the XL->R
104     - The ZM->C and ZM->FB bits are used to bypass the register (when high).
105     - ~SET bit controls the set/reset behavior of the register; 0=set, 1=reset
106
107   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
108   |Z3:0|                           D  octet                                    |
109   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
110   |0000| V4->L4 | H4->L4 | FB->L2 | FB->L3 | FB->L0 | FB->L1 | FB->L4 |   1    |
111   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
112   |0001| ZM->R  | YL->R  | WZ->WM | FB->WM | ZM->C  | ZM->FB |  C->XO |  C->YO |
113   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
114   |0010| L4->Z  | L4->Y  | L3->Z  | L2->Z  | L1->Z  | L0->Z  | V4->OE | H4->OE |
115   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
116   |0011| L2->W  | L3->W  | L4->W  | L4->X  | L0->W  | L1->W  |H2a<>V2a|H3b<>V3b|
117   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
118   |0100|  N->Y  |  S->Y  |  W->Y  |  E->Y  | L3->Y  | L2->Y  | L1->Y  | L0->Y  |
119   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
120   |0101| SW->X  | NE->X  | SE->X  | NW->X  | L3->X  | L2->X  | L1->X  | L0->X  |
121   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
122   |0110|                  X-LUT truth table, inverted                          |
123   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
124   |0111|                  Y-LUT truth table, inverted                          |
125   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
126   |1000| V3->L3 | H3->L3 | H2->L2 | V2->L2 | V1->L1 | H0->L0 | V0->L0 | H1->L1 |
127   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
128   |1001|H1a<>V1a|H0a<>V0a|H0b<>V0b|H4a<>V4a|H4b<>V4b|H1b<>V1b|H3a<>V3a|H2b<>V2b|
129   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
130   ...
131   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
132   |0001|   1    |   1    |   1    |   1    |  ~SET  |   1    |   1    |   1    |
133   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
134
135
136 Sector Resources
137
138   Clocking, reset, and inter-sector repeaters are resources which are
139   not specific to a particular cell.  As such, their X,Y addressing is
140   slightly different.  These resources are addressed by the cartesian
141   coordinates of the cell above or to the right of the resource, with
142   an additional twist: for resources in vertical channels, the
143   X-coordinate is shifted right by two bits (divided by four); for
144   resources in horizontal channels, the Y-coordinate is shifted right
145   by two bits (divided by four).
146
147   The most significant three bits of the Z-octet for a sector resource
148   are set to 001; the next bit (fourth most significant) is set to 0
149   for horizontal channels and 1 for vertical channels.
150
151   One sector wire and one global wire enter each side of each
152   repeater, for a total of four connections.  Each connection has an
153   associated four-bit code which indicates if that connection is
154   driven by the repeater, and if so, which connection to the repeater
155   is used to drive it:
156
157      000 - driver disabled
158      100 - source is global wire on the other side of the repeater
159      010 - source is sector wire on the other side of the repeater
160      001 - source is other connection on the same side of the repeater
161   
162   Example: a code of 001 for the left-hand side sector wire driver
163   means that the source of the driver should be the left hand side
164   global wire.  A code of 010 for the top sector wire driver means that
165   the source of the driver should be the bottom sector wire.
166
167      CC     = column clock
168      CR     = column reset
169      SC     = sector clock
170      CC+    = sector clock of the sector below this one
171      InvSC  = invert the clock source (CC or S4) before driving SC
172
173   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
174   | Z octet  |                    D  octet                           |
175   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
176   | 001_0000 |   1    |   0    | Left/Top      G4 | Left/Top      S4 |
177   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
178   | 001_0001 |   0    | S4->CR | Right/Bottom  G4 | Right/Bottom  S4 |
179   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
180   | 001_0010 |   1    |   0    | Left/Top      G3 | Left/Top      S3 |
181   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
182   | 001_0011 |   1    |   1    | Right/Bottom  G3 | Right/Bottom  S3 |
183   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
184   | 001_0100 |   1    |   0    | Left/Top      G2 | Left/Top      S2 |
185   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
186   | 001_0101 | SC->CC+| S3->SC | Right/Bottom  G2 | Right/Bottom  S2 |
187   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
188   | 001_0110 |   1    |   0    | Left/Top      G1 | Left/Top      S1 |
189   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
190   | 001_0111 |   1    |   1    | Right/Bottom  G1 | Right/Bottom  S1 |
191   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
192   | 001_1000 |   1    |   0    | Left/Top      G0 | Left/Top      S0 |
193   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
194   | 001_1001 | InvSC  |~SC->CC+| Right/Bottom  G0 | Right/Bottom  S0 |
195   +----------+--------+--------+----+--------+----+-----+--------+---+
196
197
198 Block Memories
199
200   Although block memories are shown in the lower right hand corner of
201   each sector in the Atmel Datasheets, they are conceptually addressed
202   by the cartesian coordinate of the cell in the lower *left* hand
203   corner of the sector.  Furthermore, both coordinates are shifted
204   right two bits (divided by four).
205
206   The significance of the "D" octet for a given block memory depends
207   on its position; if it falls in an odd sector-column (4-7, 12-15,
208   etc), use the first chart; otherwise, use the second chart.
209
210     USECLK = the memory is synchronous
211     ENABLE = the memory is enabled
212       DUAL = enable both ports on a dual-ported memory
213
214   Odd Sector-Columns
215
216   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+---------+
217   |Z octet |                       D octet                                  |
218   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
219   |01000000|  1   |  1   |  1   |  1   |   1    |    1    |   1    |   1    |
220   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
221   |01000001|  1   |  1   |  1   |  1   | USECLK | ~ENABLE | ENABLE | ENABLE |
222   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
223
224   Even Sector-Columns
225
226   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
227   |Z octet |                       D octet                                 |
228   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
229   |01000000|  1   |  1   |  1   |  1   | USECLK |  DUAL  | ~DUAL  | ENABLE |
230   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
231   |01000001|  1   |  1   |  1   |  1   |   1    |   1    |   1    |   1    |
232   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
233
234
235 I/O Blocks
236
237   The Z octet for I/O resources always its most significant three bits
238   set to 011.  The next bit is 1 for North/South IO Blocks and 0 for
239   East/West IO Blocks.  The next bit is always 0, and the bit
240   following that is set to 0 for primary (orthogonally connected)
241   IOBs, 1 for secondary (diagonally connected) IOBs.
242
243       S  = Sector wires of this cell
244       S+ = Sector wires of next cell
245       S- = Sector wires of previous cell
246       G  = Global wires of this cell
247       G+ = Global wires of next cell
248   Output = Allow output from this IOB
249       OE = when low, output is always enabled
250      OEM = 7 bits, one-hot encoded, chooses input to output-enable mux
251   USEOEM = when low, ignore the output enable mux
252    Delay = amount of delay to add; can be 0, 1, 3, or 5
253     Slew = slew time: 11=fast, 10=med, 01=slow
254     Pull = 00=pullup, 11=pulldown, 01=none
255
256   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
257   |Z octet |                         D  octet                                  |
258   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
259   |011_0_00| Schmit |      Slew     |~G2->CR|       |       Pull      |        |
260   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
261   |011_0_01|REG->OUT|        |  OE  |              Output Mux                  |
262   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
263   |011_0010|      Added Delay (primary)     |PRI->S-| PRI->G+| PRI->G | PRI->S |
264   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
265   |011_0110|      Added Delay (secondary)   |SND->S | SND->S+|PRI->REG|SND->REG|
266   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
267   |011_0_11|  OEM   | USEOEM |                   OEM                           |
268   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
269
270
271 Global Clock/Reset Networks
272
273   To drive a column clock from one of the eight global clock/reset
274   networks, set the corresponding bit in the desired column:
275
276   +--------+--------+--------+
277   |Z octet |X octet |Y octet |
278   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
279   |10100000| column |00000000| CK1 | CK2 | CK3 | CK4 | CK5 | CK6 | CK7 | CK8 |
280   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
281
282 Unknown
283
284   The following configuration resources are not fully understood, but
285   the values below appear to work.
286
287   +--------+--------+--------+
288   |Z octet |X octet |Y octet |
289   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
290   |        |00000000|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
291   |10100001|00010111|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
292   |        |00101111|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
293   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
294   |11010000|00000000|00000000|  1  |  1  |  0  |  0  |  0  |  0  |  0  |  0  |
295   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
296   |11010011|00000000|00000000|  0  |  0  |  0  |  0  |  1  |  1  |  0  |  1  |
297   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
298       
299
300
301
302