58ca1a375f903e597a74ef06f052d0926530ed57
[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     2006.03.13  [megacz]  Added constant zeroes in IOB section
38     2006.04.15  [megacz]  un-swapped FB->{L0,L1}
39
40 Background
41
42   The Atmel AT40k Datasheet describes in great detail the resources
43   available in the AT40k as well as the FPGA portion of the AT94k
44   (which is functionally identical and uses the same binary
45   configuration format).
46
47   The configuration space used to control these resources consists of
48   a collection of independent octets arranged in a sparse 24-bit
49   address space.  This document correlates those bits with the
50   resources described in the Datasheet.
51
52   The process of configuring the device consists of writing these
53   octets into the configuration memory.  Once the desired
54   configuration octets are known, the procedures for loading them into
55   configuration memory are well documented in Atmel Documents 1009 and
56   2313.
57
58   Each data octet "D" has a 24-bit address, divided into three address
59   octets "X", "Y", and "Z".  In general, the X and Y address octets
60   are related to the physical position of the resource, while the Z
61   octet is related to the type of resource being addressed.
62
63 Notation
64
65   We will use the notation A->B to indicate that setting the
66   corresponding configuration bit high causes source A to drive wire
67   B, and the notation A<>B to indicate that a pass gate between A and
68   B is enabled.  The notation ~A or ~A->B indicates a configuration
69   bit controlling A or causing A to drive B is *active low*
70   (inverted).
71
72   We will use the following terms to describe routing resources.
73   They vary slightly from Atmel's documentation, but are less
74   ambiguous.
75
76    X, Y, W, Z   The cell's inputs
77    XO, YO       The X and Y outputs from the cell (to its neighbors)
78    N, S, E, W   Orthogonal lines: connections to neighboring cells
79    NE,SE,NW,SW  Diagonal lines: connections to neighboring cells
80    S0..S4       Quad lines: four-cell long routing lines
81      H0..H4       Horizontal quad lines
82      V0..V4       Vertical quad lines
83    L0..L4       Switchbox ports: the wires joining FB,H0..H4,V0..V4,X,Y,Z,W
84    G0a..G4b     Global lines: eight-cell long routing lines, in two sets (a+b)
85    FB           The cell's internal feedback line
86    R            The cell's internal register
87    C            The cell's "center" output; can drive the X or Y outputs
88    ZM           The "Z-mux"; the mux which drives the cell's register input
89    WM           The "W-mux"; the mux which drives the third input to the LUTs
90    XL, YL       The output of the X,Y-LUTs
91    IA           The "internal and" gate (W & Z)
92    
93
94 Cartesian Resources
95
96   Although the exact interpretation of the X and Y octets depends on
97   the resource type (Z octet), in most cases the X and Y octets are
98   the cartesian coordinates of the logic cell nearest to the desired
99   resource (0,0 is the lower-left hand logic cell).  This section
100   describes the significance of the Z and D octets for such resources.
101
102   Notes:
103     - The most significant four bits of the Z octet are 0000 for these bits
104     - If WZ->WM and FB->WM are both low, then W->WM.
105     - If ZM->R and YL->R are both low, then the XL->R
106     - The ZM->C and ZM->FB bits are used to bypass the register (when high).
107     - ~SET bit controls the set/reset behavior of the register; 0=set, 1=reset
108
109   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
110   |Z3:0|                           D  octet                                    |
111   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
112   |0000| V4->L4 | H4->L4 | FB->L2 | FB->L3 | FB->L1 | FB->L0 | FB->L4 |   1    |
113   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
114   |0001| ZM->R  | YL->R  | WZ->WM | FB->WM | ZM->C  | ZM->FB |  C->XO |  C->YO |
115   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
116   |0010| L4->Z  | L4->Y  | L3->Z  | L2->Z  | L1->Z  | L0->Z  | V4->OE | H4->OE |
117   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
118   |0011| L2->W  | L3->W  | L4->W  | L4->X  | L0->W  | L1->W  |H2a<>V2a|H3b<>V3b|
119   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
120   |0100|  N->Y  |  S->Y  |  W->Y  |  E->Y  | L0->Y  | L1->Y  | L2->Y  | L3->Y  |
121   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
122   |0101| SW->X  | NE->X  | SE->X  | NW->X  | L0->X  | L1->X  | L2->X  | L3->X  |
123   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
124   |0110|                  X-LUT truth table, inverted                          |
125   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
126   |0111|                  Y-LUT truth table, inverted                          |
127   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
128   |1000| V3->L3 | H3->L3 | H2->L2 | V2->L2 | V1->L1 | H0->L0 | V0->L0 | H1->L1 |
129   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
130   |1001|H1a<>V1a|H0a<>V0a|H0b<>V0b|H4a<>V4a|H4b<>V4b|H1b<>V1b|H3a<>V3a|H2b<>V2b|
131   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
132   ...
133   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
134   |0001|   1    |   1    |   1    |   1    |  ~SET  |   1    |   1    |   1    |
135   +----+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+--------+
136
137
138 Sector Resources
139
140   Clocking, reset, and inter-sector repeaters are resources which are
141   not specific to a particular cell.  As such, their X,Y addressing is
142   slightly different.  These resources are addressed by the cartesian
143   coordinates of the cell above or to the right of the resource, with
144   an additional twist: for resources in vertical channels, the
145   X-coordinate is shifted right by two bits (divided by four); for
146   resources in horizontal channels, the Y-coordinate is shifted right
147   by two bits (divided by four).
148
149   The most significant three bits of the Z-octet for a sector resource
150   are set to 001; the next bit (fourth most significant) is set to 0
151   for horizontal channels and 1 for vertical channels.
152
153   One sector wire and one global wire enter each side of each
154   repeater, for a total of four connections.  Each connection has an
155   associated four-bit code which indicates if that connection is
156   driven by the repeater, and if so, which connection to the repeater
157   is used to drive it:
158
159      000 - driver disabled
160      100 - source is global wire on the other side of the repeater
161      010 - source is sector wire on the other side of the repeater
162      001 - source is other connection on the same side of the repeater
163   
164   Example: a code of 001 for the left-hand side sector wire driver
165   means that the source of the driver should be the left hand side
166   global wire.  A code of 010 for the top sector wire driver means that
167   the source of the driver should be the bottom sector wire.
168
169      CC     = column clock
170      CR     = column reset
171      SC     = sector clock
172      CC+    = sector clock of the sector below this one
173      InvSC  = invert the clock source (CC or S4) before driving SC
174
175   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
176   | Z octet  |                    D  octet                           |
177   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
178   | 001_0000 |   1    |   0    | Left/Top      G4 | Left/Top      S4 |
179   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
180   | 001_0001 |   0    | S4->CR | Right/Bottom  G4 | Right/Bottom  S4 |
181   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
182   | 001_0010 |   1    |   0    | Left/Top      G3 | Left/Top      S3 |
183   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
184   | 001_0011 |   1    |   1    | Right/Bottom  G3 | Right/Bottom  S3 |
185   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
186   | 001_0100 |   1    |   0    | Left/Top      G2 | Left/Top      S2 |
187   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
188   | 001_0101 | SC->CC+| S3->SC | Right/Bottom  G2 | Right/Bottom  S2 |
189   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
190   | 001_0110 |   1    |   0    | Left/Top      G1 | Left/Top      S1 |
191   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
192   | 001_0111 |   1    |   1    | Right/Bottom  G1 | Right/Bottom  S1 |
193   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
194   | 001_1000 |   1    |   0    | Left/Top      G0 | Left/Top      S0 |
195   +----------+--------+--------+-----+-----+------+-----+-----+------+
196   | 001_1001 | InvSC  |~SC->CC+| Right/Bottom  G0 | Right/Bottom  S0 |
197   +----------+--------+--------+----+--------+----+-----+--------+---+
198
199
200 Block Memories
201
202   Although block memories are shown in the lower right hand corner of
203   each sector in the Atmel Datasheets, they are conceptually addressed
204   by the cartesian coordinate of the cell in the lower *left* hand
205   corner of the sector.  Furthermore, both coordinates are shifted
206   right two bits (divided by four).
207
208   The significance of the "D" octet for a given block memory depends
209   on its position; if it falls in an odd sector-column (4-7, 12-15,
210   etc), use the first chart; otherwise, use the second chart.
211
212     USECLK = the memory is synchronous
213     ENABLE = the memory is enabled
214       DUAL = enable both ports on a dual-ported memory
215
216   Odd Sector-Columns
217
218   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+---------+
219   |Z octet |                       D octet                                  |
220   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
221   |01000000|  1   |  1   |  1   |  1   |   1    |    1    |   1    |   1    |
222   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
223   |01000001|  1   |  1   |  1   |  1   | USECLK | ~ENABLE | ENABLE | ENABLE |
224   +--------+------+------+------+------+--------+---------+--------+--------+
225
226   Even Sector-Columns
227
228   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
229   |Z octet |                       D octet                                 |
230   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
231   |01000000|  1   |  1   |  1   |  1   | USECLK |  DUAL  | ~DUAL  | ENABLE |
232   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
233   |01000001|  1   |  1   |  1   |  1   |   1    |   1    |   1    |   1    |
234   +--------+------+------+------+------+--------+--------+--------+--------+
235
236
237 I/O Blocks
238
239   The Z octet for I/O resources always its most significant three bits
240   set to 011.  The next bit is 1 for North/South IO Blocks and 0 for
241   East/West IO Blocks.  The next bit is always 0, and the bit
242   following that is set to 0 for primary (orthogonally connected)
243   IOBs, 1 for secondary (diagonally connected) IOBs.
244
245       S  = Sector wires of this cell
246       S+ = Sector wires of next cell
247       S- = Sector wires of previous cell
248       G  = Global wires of this cell
249       G+ = Global wires of next cell
250   Output = Allow output from this IOB
251       OE = when low, output is always enabled
252      OEM = 7 bits, one-hot encoded, chooses input to output-enable mux
253   USEOEM = when low, ignore the output enable mux
254    Delay = amount of delay to add; can be 0, 1, 3, or 5
255     Slew = slew time: 11=fast, 10=med, 01=slow
256     Pull = 00=pullup, 11=pulldown, 01=none
257
258   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
259   |Z octet |                         D  octet                                  |
260   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
261   |011_0_00| Schmit |      Slew     |~G2->CR|   0   |       Pull      |    0   |
262   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
263   |011_0_01|REG->OUT|    0   |  OE  |              Output Mux                  |
264   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
265   |011_0010|      Added Delay (primary)     |PRI->S-| PRI->G+| PRI->G | PRI->S |
266   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
267   |011_0110|      Added Delay (secondary)   |SND->S | SND->S+|PRI->REG|SND->REG|
268   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
269   |011_0_11|  OEM   | USEOEM |                   OEM                           |
270   +--------+--------+--------+------+-------+-------+--------+--------+--------+
271
272
273 Global Clock/Reset Networks
274
275   To drive a column clock from one of the eight global clock/reset
276   networks, set the corresponding bit in the desired column:
277
278   +--------+--------+--------+
279   |Z octet |X octet |Y octet |
280   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
281   |10100000| column |00000000| CK1 | CK2 | CK3 | CK4 | CK5 | CK6 | CK7 | CK8 |
282   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
283
284 Unknown
285
286   The following configuration resources are not fully understood, but
287   the values below appear to work.
288
289   +--------+--------+--------+
290   |Z octet |X octet |Y octet |
291   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
292   |        |00000000|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
293   |10100001|00010111|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
294   |        |00101111|00000000|  1  |  1  |  1  |  1  |  1  |  1  | GCK  SRC  |
295   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
296   |11010000|00000000|00000000|  1  |  1  |  0  |  0  |  0  |  0  |  0  |  0  |
297   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
298   |11010011|00000000|00000000|  0  |  0  |  0  |  0  |  1  |  1  |  0  |  1  |
299   +--------+--------+--------+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+-----+
300       
301
302
303
304