設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)資源的使用

不同的用戶可能需要不同容量的RAM來構(gòu)建他們的特定應(yīng)用。所以FGPA底層的RAM基塊大小就是一個(gè)有意思的話題。如果太大，則不夠靈活，難以滿足小容量的應(yīng)用，當(dāng)然可以直接用大容量RAM來實(shí)現(xiàn)小容量應(yīng)用，但這難免造成大量的資源浪費(fèi);如果基塊太小，則中等或者大型RAM應(yīng)用會(huì)需要大量的小型RAM來構(gòu)成，小型RAM為了普適性，也會(huì)配備同樣的信號(hào)輸入接口，這樣一來則會(huì)大大消耗FPGA內(nèi)部的布線資源，甚至?xí)斐刹季€擁擠和時(shí)序問題。

幾乎所有在 FPGA 中構(gòu)建的設(shè)計(jì)都需要使用一定大小的內(nèi)部存儲(chǔ)器資源來存儲(chǔ)系數(shù)、緩沖數(shù)據(jù)以及各種其他用途。典型系統(tǒng)需要小型、中型和大型存儲(chǔ)器陣列的組合來滿足它們的所dfe有要求，存儲(chǔ)器的整體功耗因此成為設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)。

在設(shè)計(jì)FPGA時(shí)，重要的是要?jiǎng)?chuàng)建滿足大多數(shù)客戶需求的器件。如果 FPGA是用適合一個(gè) 應(yīng)用的小型、中型和大型存儲(chǔ)器資源構(gòu)建的，那么該解決方案對(duì)于某些客戶來說將是最佳的，而其他想要使用相同部件的客戶可能需要做出相當(dāng)大的取舍。

試圖從他們的 FPGA 中獲得最佳價(jià)值的用戶可能會(huì)擔(dān)心大容量RAM 中的資源浪費(fèi)。但是，構(gòu)建更精細(xì)、更小的 RAM基塊需要額外的連線，這是有代價(jià)的。本文解釋了權(quán)衡取舍：為什么更精細(xì)的RAM基塊的成本通常更高。

圖 1 顯示了 FPGA 中小型、中型和大型存儲(chǔ)器塊的理論分布(未按任何特定比例繪制)。

恰好需要這種塊組合的設(shè)計(jì)能夠完美地利用可用資源(參見圖 2)。

然而，想象一個(gè)場景----用戶只需要另外四個(gè)中等大小的資源。

一種方法是用大量小組件構(gòu)建中型內(nèi)存陣列，這會(huì)消耗大量資源并導(dǎo)致將它們連接在一起的復(fù)雜性。另一種選擇是使用一個(gè)大塊作為中塊，使大塊中的所有剩余資源不可用，同時(shí)保持它們通電，因此會(huì)消耗功耗(參見圖 3)。

FPGA 制造商面臨的挑戰(zhàn)是構(gòu)建具有最靈活的內(nèi)存資源組合的設(shè)備，讓所有用戶能夠?qū)⑺麄兯璧膬?nèi)存陣列大小安裝到設(shè)備中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的性能且不會(huì)浪費(fèi)大量的資源和功耗。

FPGA 中的存儲(chǔ)資源 這一章是對(duì)BRAM資源的講述，更詳細(xì)的內(nèi)容可以看這里：從底層結(jié)構(gòu)開始學(xué)習(xí)FPGA----Block RAM(BRAM，塊RAM)

Xilinx FPGA 使用各種存儲(chǔ)資源，以提供最好的靈活性和低成本組合。包括 Artix-7、Kintex-7 和 Virtex-7 系列在內(nèi)的所有 7 系列 FPGA 都使用相同的內(nèi)存塊，從而能夠從一個(gè) 7 系列 FPGA 系列完美遷移到另一個(gè)系列。

顯然，構(gòu)建存儲(chǔ)資源以滿足每個(gè)用戶的需求是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)。Xilinx 7 系列 FPGA 中實(shí)現(xiàn)的解決方案是創(chuàng)建稱被為 塊RAM 的基塊(參見圖 4)，這些塊基塊可以組合在一起形成更大的陣列，也可以分割形成更小的陣列。將塊 RAM 與 FPGA 邏輯中的 6 輸入查找表 (LUT) 組合成小型存儲(chǔ)器陣列的能力為用戶提供了最靈活的資源來創(chuàng)建各種大小的存儲(chǔ)陣列。

塊 RAM 每個(gè) 7 系列 FPGA 有 135 到 1880 個(gè)雙端口塊RAM，每個(gè) 塊RAM 能夠存儲(chǔ) 36 Kb數(shù)據(jù)，其中 32 Kb 分配給數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在某些內(nèi)存配置中，額外的 4 Kb 分配給奇偶校驗(yàn)位。每個(gè) Block RAM 都有兩個(gè)完全獨(dú)立的端口，它們只共享存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

每個(gè)端口可以配置為：

32K x 1 16K x 2 8K x 4 4K x 9(或 8) 2K x 18(或 16) 1K x 36(或 32) 512 x 72(或 64) 每個(gè) Block RAM 可以分為兩個(gè)完全獨(dú)立的 18 Kb Block RAM，每個(gè) RAM 可以配置為從16K x 1 到 512 x 36 的比例。當(dāng)一個(gè) 36K 塊 RAM 被分成兩個(gè)獨(dú)立的塊 RAM，兩個(gè)獨(dú)立的塊RAM 中的每一個(gè)的行為都與一個(gè) 36 Kb 塊 RAM 完全相同，只是大小變成了一半。

相反，如果用戶需要更大的存儲(chǔ)器陣列，則可以將兩個(gè)相鄰的 36 Kb 塊 RAM 配置為一個(gè)級(jí)聯(lián)的 64K x 1 雙端口 RAM，而無需任何額外的邏輯與資源。Xilinx 7 系列 FPGA 中的 Block RAM 組件可以配置為單端口、簡單雙端口或真雙端口模式。此外，可以通過以下三種方式之一從 Block RAM 讀取數(shù)據(jù)：READ_FIRST、WRITE_FIRST 或 NO_CHANGE 模式。

拆分塊RAM 如果用戶只需要單端口存儲(chǔ)器，而不是實(shí)現(xiàn)完全真正的雙端口功能，則可以將塊 RAM 分成更小的內(nèi)存陣列。當(dāng) Block RAM 處于真雙端口模式(默認(rèn)模式)時(shí)，端口 A 和端口 B可以通過將 ADDRA 地址總線的最高有效位連接到VCC(高電平)來實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的、獨(dú)立的延遲線存儲(chǔ)器、單端口存儲(chǔ)器或 ROM和 ADDRB 地址總線的最高有效位接地，因此創(chuàng)建兩個(gè)單端口塊 RAM。

例如，一個(gè) RAMB36E1，36K 塊 RAM 原語，可分為兩個(gè)18K單口存儲(chǔ)器，RAMB18E1可分為兩個(gè)9K單口存儲(chǔ)器。使用這種方法，可以在 7 系列 FPGA 中為每個(gè) Block RAM 陣列創(chuàng)建四個(gè)延遲線存儲(chǔ)器。要以這種方式在 Block RAM 中實(shí)現(xiàn)延遲線，必須使用 READ_FIRST 或 Read-Before-Write 模式。

如果實(shí)現(xiàn)單端口存儲(chǔ)器，則允許的模式?jīng)]有這樣的限制;可以使用任何支持的模式(READ_FIRST、WRITE_FIRST 或NO_CHANGE)，并且一個(gè)塊 RAM 中的不同存儲(chǔ)器可以具有不同的端口寬度。由此產(chǎn)生的存儲(chǔ)器方案在每個(gè)時(shí)鐘周期為每個(gè)端口執(zhí)行一個(gè)操作，因此每個(gè)時(shí)鐘周期每個(gè)塊 RAM 執(zhí)行四個(gè)操作。

同步操作 每次訪問內(nèi)存，無論是讀取還是寫入，都由時(shí)鐘控制。所有輸入、數(shù)據(jù)、地址、時(shí)鐘使能和寫使能都已寄存。沒有時(shí)鐘什么都不會(huì)發(fā)生。輸入地址始終被時(shí)鐘控制，在下一次操作之前保留數(shù)據(jù)。一個(gè)可選的輸出數(shù)據(jù)流水線寄存器允許更高的時(shí)鐘速率，但代價(jià)是額外的延遲周期。在寫入操作期間，數(shù)據(jù)輸出可以反映先前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)、新寫入的數(shù)據(jù)或保持不變。

字節(jié)寬寫使能 Block RAM 的字節(jié)寫使能特性提供了一次寫入輸入數(shù)據(jù)的八位(一個(gè)字節(jié))的能力。真雙端口 RAM 最多有四個(gè)獨(dú)立的字節(jié)寬寫使能輸入。每個(gè)字節(jié)范圍的寫使能與一個(gè)字節(jié)的輸入數(shù)據(jù)和一個(gè)奇偶校驗(yàn)位相關(guān)聯(lián)。當(dāng)使用塊 RAM 與微處理器接口時(shí)，此功能很有用。

錯(cuò)誤檢測和糾正 Xilinx 7 系列 FPGA 中的每個(gè) 64 位寬塊 RAM 可以生成、存儲(chǔ)和利用 8 個(gè)額外的漢明碼位(Hamming-code)，并在讀取過程中執(zhí)行單位錯(cuò)誤校正和雙位錯(cuò)誤檢測 (ECC)。當(dāng)寫入或讀取外部 64/72 位寬存儲(chǔ)器時(shí)，也可以使用 ECC 邏輯。這適用于簡單的雙端口模式，不支持 read-during-write。

FIFO控制器 Xilinx 7 系列 FPGA 中用于單時(shí)鐘(同步)或雙時(shí)鐘(異步或多速率)操作的內(nèi)置 FIFO 控制器增加內(nèi)部地址并提供四個(gè)握手標(biāo)志：已滿、空、幾乎滿和幾乎空。幾乎滿和幾乎空的標(biāo)志是可自由編程的。類似于 塊 RAM，F(xiàn)IFO 寬度和深度是可編程的，但寫入和讀取端口始終具有相同的寬度。首字直通模式呈現(xiàn)第一甚至在第一次讀取操作之前，在數(shù)據(jù)輸出上寫入字。讀完第一個(gè)字后，此模式與標(biāo)準(zhǔn)模式?jīng)]有區(qū)別。

分布式內(nèi)存(DRAM) Xilinx 7 系列 FPGA 的邏輯由 6 輸入 LUT 等元素組成。LUT 以四個(gè)為一組排列，并組合成一個(gè)Slice。7 系列 FPGA 有兩種Slice----SLICEM 和 SLICEL。SLICEM 中的 LUT 占 7 系列 FPGA 中 Slice 總數(shù)的 25-50%，可以實(shí)現(xiàn)為稱為分布式 RAM 元素的同步RAM 資源。每個(gè) 6 輸入 LUT 可配置為一個(gè) 64 x 1 位 RAM 或兩個(gè) 32 x 1 位 RAM。SLICEM 中的 6 輸入 LUT 可以級(jí)聯(lián)以形成更大的元素，在簡單的雙端口配置中高達(dá) 64 x 3 位或在單端口配置中高達(dá) 256 x 1 位。請(qǐng)參見圖 5。

分布式 RAM 模塊是同步(寫入)資源?？梢允褂猛黄械拇鎯?chǔ)元件或觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)同步讀取。通過放置這個(gè)觸發(fā)器，分布式 RAM 性能通過減少觸發(fā)器時(shí)鐘輸出值的延遲而得到改善。但是，會(huì)增加額外的時(shí)鐘延遲。分布式元件共享相同的時(shí)鐘輸入。對(duì)于寫操作，由 SLICEM 的 CE 或 WE 引腳驅(qū)動(dòng)的寫使能 (WE) 輸入必須設(shè)置為高電平。

典型的用戶設(shè)計(jì)利用 表 1 顯示了針對(duì) Kintex-7 XC7K410T FPGA 的典型存儲(chǔ)高利用率設(shè)計(jì)中的資源映射。此數(shù)據(jù)基于關(guān)注比特浪費(fèi)的用戶的真實(shí)示例。

多個(gè)不同的資源利用了以不同大小配置塊 RAM 資源的能力。

無窮小基塊的代價(jià) 確定賽靈思 FPGA 架構(gòu)提供了多種不同的存儲(chǔ)器深度/寬度粒度后，了解向架構(gòu)添加更精細(xì)基塊所涉及的權(quán)衡非常重要。例如，如果 7 系列 FPGA 中的 36K 塊 RAM 不僅分成兩個(gè) 18K 塊，而且可以進(jìn)一步分成四個(gè) 9K 真雙端口塊，但這需要付出代價(jià)。將單個(gè) Block RAM 中的唯一存儲(chǔ)器數(shù)量加倍意味著要進(jìn)出每個(gè) Block RAM 的最大信號(hào)數(shù)量也需要加倍，這反過來又需要將互連資源(或塊)的數(shù)量加倍以適應(yīng)約 400 個(gè)信號(hào)的路由布線。 例如，一個(gè) 8K 塊 RAM 可以配置為 16 位寬和 512 位深，總共需要 25 個(gè)輸入信號(hào)----16 條數(shù)據(jù)線和 9 條地址線。然后 8K 塊 RAM 分為兩個(gè) 4K 塊 RAM。這些塊 RAM 中的每一個(gè)都可以配置為 16 位寬和 256 位深。此配置每個(gè)塊 需要16 條數(shù)據(jù)線和 8 條地址線，每個(gè) 4K 塊 RAM 總共有 24 個(gè)輸入信號(hào)或總共 48 個(gè)信號(hào)。48 個(gè)信號(hào)大約是 8K 塊 RAM 所需的 25 個(gè)輸入信號(hào)的兩倍。與每個(gè)關(guān)聯(lián)的互連塊數(shù)量增加一倍的效果 塊 RAM 將硅面積增加了 25% — 無論使用何種配置，所有塊都會(huì)受到懲罰。因此，每個(gè) Block RAM 能夠配置為四個(gè) 9K 塊的能力意味著每個(gè)塊從四個(gè)區(qū)域單元增加到五個(gè)區(qū)域單元。從積極的方面來說，它允許較小的存儲(chǔ)器利用較小的塊大小(參見表 2)。

參考相同的設(shè)計(jì)示例，如果能夠?qū)⑤^小的 512 x 18 內(nèi)存有效地打包到相鄰的 9K 塊中，則其影響相當(dāng)于消耗更少的資源。然而，較大的塊都變大了 25%，增加了顯著的面積損失。因此，如果 Kintex-7 FPGA 中的 Block RAM 可以劃分為四個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，并且用戶設(shè)計(jì)可以充分利用這些更小粒度的塊，那么這種典型設(shè)計(jì)仍然比當(dāng)前的 36K/18K 配置占用更大的面積。然而，由于試圖將如此多的信號(hào)連接到一個(gè)總線上的布線擁塞，設(shè)計(jì)不可能通過將四個(gè)獨(dú)立的 9K 真正雙端口存儲(chǔ)器打包到同一個(gè) 36K 塊 RAM 中來充分利用它們。因此，表 2 中的面積乘法是最好的情況;實(shí)際上，并非所有 36K 塊 RAM 都將由四個(gè) 9K 存儲(chǔ)器填充。

對(duì)設(shè)備資源的影響 塊 RAM 資源大小增加的影響可能會(huì)在整體設(shè)備資源的中產(chǎn)生以下三種影響之一：

保持設(shè)備大小相同并丟失塊 RAM 位 保持 Block RAM 的位數(shù)相同，減少其他資源的數(shù)量，即 CLB 讓所有資源保持原樣 讓設(shè)備變得更大這些選擇中的每一個(gè)都有明顯的懲罰：

丟失塊 RAM 位并不理想，因?yàn)榇蠖鄶?shù)用戶正在使用大部分可用內(nèi)存。如果塊 RAM 全部增加 25%，Kintex-7 XC7K410T FPGA 中的塊數(shù)從 795 減少到 636，相當(dāng)于從 28,620 Kb 減少到 22,896 Kb塊 RAM 大小增加 25% 意味著每塊 RAM 列損失一列 CLB。Kintex-7 XC7K410T FPGA 有 12 個(gè)塊 RAM 列，因此在這種情況下，它會(huì)從設(shè)備中丟失 12 列 CLB，相當(dāng)于丟失 4,200 個(gè) CLB，這相當(dāng)于大約 54,000 個(gè)邏輯單元。這將產(chǎn)生將 Kintex-7 XC7K410T FPGA 從 406,720 個(gè)邏輯單元減少到 352,720 個(gè)邏輯單元的影響，從而以相同的成本生產(chǎn)出功能更差的設(shè)備。保持所有資源相同并允許增加硅面積有幾個(gè)缺點(diǎn)。顯而易見的第一個(gè)問題是，更大的設(shè)備意味著更昂貴的設(shè)備，但物理上更大的硅片也會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)生重大影響。Block RAM 陣列的功率優(yōu)化 功耗的重要性 功耗在大多數(shù)現(xiàn)代應(yīng)用中至關(guān)重要，降低系統(tǒng)內(nèi)的功耗對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)人員來說都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。降低功耗的方法有很多種，但很多都會(huì)伴隨明顯的性能損失。借助 7 系列 FPGA，Xilinx 采用了一種創(chuàng)新方法來降低與 Block RAM 存儲(chǔ)器陣列相關(guān)的功耗。降低功率的兩種主要方法是：

識(shí)別不必要地消耗功耗的區(qū)域并采取行動(dòng) 提供在降低功耗與略微降低最大性能之間進(jìn)行權(quán)衡的能力 未使用的 Block RAM 所有 Block RAM 組件在上電時(shí)都會(huì)消耗功率，無論它們是否在設(shè)計(jì)中使用。Xilinx 7 系列 FPGA 中的一項(xiàng)獨(dú)特功能使軟件能夠自動(dòng)識(shí)別未使用的 Block RAM。識(shí)別出未使用的Block RAM后，它們會(huì)自動(dòng)禁用并進(jìn)入零功耗狀態(tài)，從而顯著降低 FPGA 的整體功耗。

使用 XST(xilinx synthesis tools) 推斷 RAM 模塊 如果讀取地址寄存在內(nèi)，XST 會(huì)推斷塊 RAM。相反，如果 RAM 網(wǎng)絡(luò)使用異步讀取操作，則推斷為分布式 RAM。ram_style 屬性可用于指定是使用塊 RAM 還是分布式 RAM。當(dāng) RAM 網(wǎng)絡(luò)大于一個(gè)基塊的大小時(shí)，可以使用多個(gè) Block RAM。默認(rèn)策略是針對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。在此策略中，小型 RAM 使用分布式 RAM 實(shí)現(xiàn)。RAM 網(wǎng)絡(luò)也可以針對(duì)功率和面積進(jìn)行優(yōu)化;這些在本文的使用 CORE Generator 軟件構(gòu)建 RAM 部分中進(jìn)行了描述。任何小于 128 位深度或 512 位深度 x 寬度的東西都在分布式 RAM 中實(shí)現(xiàn)，除非用戶使用 ram_style 屬性另外指定。為了確保最有效地使用Block RAM 和分布式 RAM 資源，XST 首先在 Block RAM 中實(shí)現(xiàn)最大的 RAM， 如果仍有可用的塊 RAM 資源，則將較小的 RAM 放入塊 RAM。XST 還可以將小型單端口 RAM 打包到單個(gè)塊 RAM 中。

可以在 XST 中啟用降低 Block RAM 功耗的技術(shù)。它們是由功耗降低 (POWER) 綜合選項(xiàng)控制的更大優(yōu)化集的一部分，并且可以通過 RAM 樣式 (RAM_STYLE) 約束專門啟用。XST 中的 RAM 功率優(yōu)化技術(shù)主要旨在減少設(shè)備上同時(shí)活動(dòng)的 Block RAM 的數(shù)量。它們僅適用于需要分解多個(gè) Block RAM 原語的推斷存儲(chǔ)器，并利用 Block RAM 資源的啟用能力。創(chuàng)建額外的啟用邏輯以確保僅同時(shí)啟用一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)推斷存儲(chǔ)器的 Block RAM 原語。為適合單塊 RAM 原語的推斷存儲(chǔ)器激活功率降低技術(shù)沒有效果。啟用后，將結(jié)合區(qū)域和速度優(yōu)化目標(biāo)尋求降低功率。通過 RAM 樣式 (RAM_STYLE) 約束可以進(jìn)行兩種優(yōu)化權(quán)衡：

模式 block_power1 實(shí)現(xiàn)了一定程度的功耗降低，同時(shí)對(duì)電路性能的影響最小。在這種模式下，會(huì)保留默認(rèn)的、面向性能的 Block RAM 分解算法。XST 只是添加了塊 RAM 啟用邏輯。根據(jù)內(nèi)存特性，功率只能以有限的方式受到影響。 模式 block_power2 提供更顯著的功耗降低，但可能對(duì)性能產(chǎn)生輕微影響。也可以引入額外的切片邏輯。此模式使用不同的 Block RAM 分解方法。該方法首先旨在減少實(shí)現(xiàn)推斷內(nèi)存所需的塊 RAM 原語的數(shù)量。然后通過插入 Block RAM 使能邏輯來最小化活動(dòng) Block RAM 的數(shù)量。還創(chuàng)建了多路復(fù)用邏輯以從活動(dòng)塊 RAM 中讀取數(shù)據(jù)。如果設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)是降低功耗，而速度和面積優(yōu)化是次要的，那么賽靈思建議使用 block_power2 模式。 ROM 可以通過使用大的 case 語句來推斷。XST 還可以在 Block RAM 中實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī) (FSM) 和邏輯，以最大限度地利用可用的邏輯資源。

使用 CORE Generator 構(gòu)建 RAM CORE Generator 工具具有三種算法，可用于優(yōu)化 Block RAM 網(wǎng)絡(luò)。最小面積方案使用盡可能少的資源(塊 RAM)，但也最大限度地減少了輸出多路復(fù)用，以在最小面積上保持最高性能(參見圖 6)。低功耗方案可以使用更多資源，但確保在每次讀寫操作期間啟用的塊最少。這可能會(huì)在使能信號(hào)上產(chǎn)生少量額外的解碼邏輯，但與所節(jié)省的功率相比，這是一個(gè)小的面積損失。在此模式下運(yùn)行時(shí)，CORE Generator 工具在 RAM_STYLE = block_power2 模式下執(zhí)行與 XST 相同的功能。請(qǐng)注意，如果 Block RAM 網(wǎng)絡(luò)非常大，使用低功耗方案進(jìn)行拆分可能會(huì)導(dǎo)致需要路由許多額外的信號(hào)，這可能會(huì)耗盡設(shè)計(jì)其他部分的路由資源。

第三種優(yōu)化方案是 Fixed Primitive，用戶可以在其中選擇一個(gè)特定的基元，例如 4K x 4，從中構(gòu)建他們的 RAM 網(wǎng)絡(luò)。由用戶決定哪個(gè)原語最適合他們的應(yīng)用程序。CORE Generator 工具還提供了一個(gè)選項(xiàng)來寄存 RAM 網(wǎng)絡(luò)的輸出以提高性能。如果網(wǎng)絡(luò)中使用了多個(gè) Block RAM，用戶可以選擇是在每個(gè) Block RAM 原語的輸出還是在內(nèi)核的輸出上進(jìn)行寄存。

結(jié)論 組合塊ram，可以配置在各種數(shù)據(jù)寬度/深度與分布式RAM的組合來支持更小的內(nèi)存陣列提供最靈活的方式以最低的成本建立不同大小的存儲(chǔ)內(nèi)存。向組件添加額外的功能，例如向塊RAM，如果準(zhǔn)確的功能是正確的，最初可能是最好的解決方案必需的。然而，組件和它的組件都有區(qū)域懲罰用于添加新特性的相應(yīng)互連。這些區(qū)域處罰有一個(gè)對(duì)設(shè)備資源影響較大。多年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建FPGA嵌入式存儲(chǔ)器已經(jīng)導(dǎo)致了廣泛的高效解決方案范圍的應(yīng)用程序

審核編輯：湯梓紅