FPGA基础学习(8) --内部结构之存储单元

目录

• 1. 基本结构
• 2. BRAM与DRAM的比较
• 3. BRAM的特点
• 4. Block Memory的使用
  • 4.1 配置为RAM或ROM
  • 4.2. 配置为FIFO
• 参考文献：

上一篇中提到了SLICEL和SLICEM都可用作ROM，后者还可以作为分布式RAM（Distribute RAM，DRAM）。本篇主要总结的是块状Memory（Block Memory），实际上就是FPGA内部独立于逻辑单元的专用存储器，更像是一种硬核。

1. 基本结构

如下图所示，一个Block Memory的大小为36KB（RAMB36E1），由两个独立的18KB BRAM（Block RAM，RAMB18E1）组成。因此一个36K的Block Memory可配置成4中情形：

• 全部用于配置成36KB的BRAM；
• 全部用于配置成36KB的FIFO；
• 配置成18KB的BRAM和18KB的BRAM；
• 配置成18KB的BRAM和18KB的FIFO；

为什么不能配置成两个18KB的FIFO呢？因为一个Block Momery中间有一个叫FIFO Logic的结构，它用于生成FIFO控制信号，包括读/写地址等，由于它只有1个且不能共享，所以最多只能配置一个FIFO。

2. BRAM与DRAM的比较

简单的来说，BRAM就是一块固定存储功能的硬核，而DRAM是由一堆SLICE拼接成，实现存储功能的单元。

尽管BRAM可支持更多功能，但并不表明BRAM在任何场合都具有优势。两者的使用总结如下：

1. BRAM一定需要时钟；DRAM可以是纯组合逻辑，即给地址马上出数据（当然上篇说了，为了提高性能，在读出的时候加上触发器更好）；
2. BRAM有着较大的存储空间；而DRAM实现大的存储空间会消耗很多LUT资源；

较大的存储应用，建议用BRAM；零星的小RAM，一般就用DRAM。但这只是个一般原则，具体的使用得看整个设计中资源的冗余度和性能要求。

3. BRAM的特点

当Block Memory配置成RAM时，有三种工作模式：

• 读优先
• 写优先
• 保持模式

三种模式体现了当对RAM中同一地址同时进行读操作和写操作时的不同。简单的说，当同时对RAM中的同一地址进行读写时，读优先模式将读出该地址内原有的数据，写优先模式将读出当前写入该地址的数据（注意断句，意思是最终会读出的数据是先写入的数据），保持模式则保持之前读出的数据不变。

4. Block Memory的使用

4.1 配置为RAM或ROM

在Vivado的“IP catalog”中搜索“RAM”，会出现如下结果，可以看到想要生成RAM或ROM，可以选择Distributed Memory或Block Memory，即上面提到的分布式和块状存储单元。

选择“Block Memory Generator”，可以看到块存储单元可以用作RAM或ROM，具体配置就不详细展开了。

值得一提的是，在“Port A Options”选项卡中，有个Output Registers栏，可以选择Primitive Output Register和Core Output Register。其中前者位于BRAM内部，后者为CLB中的触发器。值得注意的是，在这里这两个触发器只支持同步高有效复位。这两个触发器可大大降低时钟到输出的延迟，在高速设计中，这两个触发器都使用，使用之后读操作的latency会增大为3个时钟周期。

4.2. 配置为FIFO

Block Memory中的BRAM还可配置为FIFO（同步或异步），同时提供专用的FIFO Logic用于生成FIFO的控制信号和状态信号。使用专用的FIFO Logic的FIFO称为build-in FIFO。Vivado提供了IP:FIFO Generator，即可以将BRAM配置为build-in FIFO，也可以采用CLB资源生成FIFO控制逻辑，并结合BRAM构成FIFO。

对于7系列FPGA内部未使用的18KB BRAM，Vivado通过Power Gating技术不会对其进行初始化，从而可以有效降低功耗。

参考文献：

1. 《Block Memory Generator v8.4》（PG058）
2. 《VIVADO从此开始》——高亚军著