Xinlinx FPGA内的存储器BRAM全解

目录

• • 一、总体概述
  • • 1.7系列FPGA的BRAM特点
    • 2.资源情况
    • 二、BRAM分类
    • • 1.单端口RAM
      • 2.简单双端口RAM
      • 3.真双端口RAM
      • 三、BRAM的读写
      • • 1、Primitives Output Registers读操作注意事项
        • 2.三种写数据模式
        • • （1）Write_First
          • （2）Read_First
          • （3）No_change
          • 3.读写冲突
          • • （1）读写时钟同步
            • （2）读写时钟异步
            • 四、三种BRAM实现算法
            • • 1.最小面积
              • 2.低功耗
              • 3.固定原语

                一、总体概述

                Xilinx 7系列fpga中的块RAM存储高达36 Kb的数据，可以配置为两个独立的18 Kb BRAM或一个36 Kb RAM。

                每个36Kb块RAM也可以配置成深度×宽度为64K × 1(当与相邻的36KB块RAM级联时)、32K × 1、16K × 2、8K × 4、4K × 9、2K × 18、1K × 36或512 × 72的简单双端口模式。

                每个18Kb块RAM可以配置成深度×宽度为16K × 1、8K × 2、4K × 4、2K × 9、1K × 18或512 × 36的简单双端口模式。

                为什么36Kb会配置为32K×1，少的那4Kb去哪了？

                1.7系列FPGA的BRAM特点

                7系列FPGA的BRAM特点如下：

                • 每块的存储能力达到36Kbits
                • 可以配置成两个独立的18Kb BRAM或一个36Kb的BRAM
                • 每个36Kb的BRAM可以设置为512×72的简单双端口模式，每个18Kb的BRAM可以配置为512×36的简单双端口模式
                • 简单双端口RAM的两个端口宽度可以不一致
                • 两个相邻的块RAM可以组合成一个更深的64K x 1的存储器，而无需任何外部逻辑
                • 每36 Kb BRAM或36 Kb FIFO提供一个64位纠错编码块，独立的编码/解码功能。在ECC模式下注入错误的能力
                • 输出的同步设置/复位为初始值可用于块RAM输出的锁存器和寄存器模式
                • 单独的同步Set/Reset引脚独立控制块RAM中可选输出寄存器和输出锁存阶段的Set/Reset
                • 将块RAM配置为同步FIFO以消除标志延迟不确定性的属性
                • 7系列FPGA中的FULL标志在没有任何延迟的情况下被断言
                • 18、36或72位宽的块RAM端口可以为每个字节启用单独的写入
                • 每个36Kb BRAM包含可选的地址和控制电路，作为内置的双时钟FIFO存储器，但是无法将36Kb的BRAM当作两个18Kb的FIFO（因为无法共享FIFO控制逻辑）
                • 输出数据路径有一个可选的内部寄存器，强烈建议使用该寄存器。这允许更高的时钟速率，但是它增加了一个时钟周期延迟

                  2.资源情况

                  在7系列FPGA中，块RAM按列排列。7系列设备的块RAM资源总数如下图所示。36kb块可级联，以最小的时间损失实现更深更宽的内存。

                  N

                  

                  二、BRAM分类

                  1.单端口RAM

                  只有一个端口，该端口可读可写。

                  

                  2.简单双端口RAM

                  有两个端口A和B，A端口用于写数据B端口用于读数据。读写数据位宽可以是倍数关系，最大为32倍。

                  

                  3.真双端口RAM

                  有两个端口A和B，A、B端口均能读写数据。读写数据位宽可以是倍数关系，最大为32倍。

                  

                  三、BRAM的读写

                  1、Primitives Output Registers读操作注意事项

                  在使用BRAM IP核时我们会发现有一个选项位Primitives Output Registers：

                  

                  勾选它时需要注意的事项：

                  

                  在锁存模式下，读操作使用一个时钟边。读地址在读端口上寄存，存储的数据在RAM访问时间之后加载到输出锁存器中。当使用输出寄存器时，读取操作需要一个额外的延迟周期。可以参考下面这篇文章，是一年多以前遇到的双口RAM数据丢失问题，当时给出了自己的猜想，没想到在这时候完成了闭环。

                  双口RAM输出数据丢失问题_双口ram读取不到最后一个数据-CSDN博客

                  2.三种写数据模式

                  当端口向某一个地址写数据，此时这个地址下RAM的数据输出DOUT的结果会是新写的数据还是原来的数据呢？这就和端口的写模式有关系了。

                  （1）Write_First

                  写优先模式下，写入数据的将数据写入内存，并将数据传递到输出中。即读出的数据会是新写的数据，时序图如下：

                  

                  可以发现，当向地址bb写入1111时，RAM在地址bb下的输出也会变为1111.

                  （2）Read_First

                  读优先模式下，输出会是原有的数据，时序图如下：

                  

                  输出的内容是old mem(bb)，即bb地址下的旧数据。

                  （3）No_change

                  No_change模式下，输出锁存器在写操作期间保持不变。

                  

                  我们可以发现当检测到写使能为高时，输出一直保持MEM(aa)不变，直到检测到写使能为低，才会输出当前地址的数据，这种模式使用的功耗最低。

                  3.读写冲突

                  对于双端口RAM而言，当一个端口写另一个端口读时会存在读写冲突的可能，对于真双口RAM而言当两个端口同时写时还会出现写-写冲突的可能。

                  我们以读写时钟是否同步来分析：

                  （1）读写时钟同步

                  • 对于真双口RAM规定

                    两个端口不能同时写

                    两个端口可以同时读

                    可以一读一写

                  • 对于简单双口RAM无规定

                    （2）读写时钟异步

                    • 对于真双口RAM规定

                      两个端口不能同时写

                      两个端口可以同时读

                      不能一写一读

                    • 对于简单双口RAM

                      不能一写一读，读写需要分开

                      四、三种BRAM实现算法

                      在Block Memory generator IP中，生成RAM时有三种算法选项，分别是：

                      • 最小面积（MinimumArea）
                      • 低功耗（Low Power）
                      • 固定原语（Fixed Primitives）

                        根据Xinlinx官方手册，下面以3K×16和5K×17的端口RAM为例介绍

                        1.最小面积

                        最小面积算法使所用的BRAM原语数量最少，同时减少了输出多路复用。

                        

                        在3k×16RAM的实现中，我们用到了三个18Kb的RAM。为了能够形成对比，我们将3个1K×18的BRAM放在一列构成一个3k×16，如下图。

                        

                        我们可以发现，在水平和垂直方向上两种方法构成的Memory长度一致，那最小面积是怎么体现出来的呢？这是因为在各个BRAM构成的RAM输出时，需要进行选择。比如对于最小面积算法，在输出时需要对上面2k×19的输出和1k×18的输出进行选择，因此只需要一个2选1多路复用器。那上面两个相邻的2K×19需要进行选择吗，其实是不用的，两个9bit宽的RAM共同构成了要输出的16bit，任何时候都是拼在一起的不需要选择。

                        2.低功耗

                        低功耗算法可以最大限度地减少在读或写操作期间启用的原语数量。该算法没有针对面积进行优化，可能比最小面积算法使用更多的BRAM和多路复用器。

                        

                        比如在上述3k×16的Memory中，3个1k×18的垂直方向排列，3个输出通过多路复用器输出到RAM外。当地址处于0-1k时只有上面一个RAM被启用，其余两个RAM不用使能，因此可以降低功耗。

                        3.固定原语

                        固定原语算法允许选择单个BRAM原语类型。内核通过在宽度和深度上连接这个单一的原语类型来构建内存。固定原语算法提供了16kx1、8kx2、4kx4、2kx9、1kx18和512x36原语的选择。

                        

                        

                        Xinlinx官方文档参考如下：

                        Block Memory Generator v8.4 Product Guide (PG058) • 查看器 • AMD 技术信息门户

                        7 Series FPGAs Memory Resources User Guide (UG473) • 查看器 • AMD 技术信息门户