FPGA中常用的存儲(chǔ)器資源

本文主要介紹FPGA中常用的RAM、ROM、CAM、SRAM、DRAM、FLASH等資源，包括特性、工作原理、應(yīng)用場景等。

一、RAM

RAM(Random Access Memory)是FPGA中最基本和常用的內(nèi)部存儲(chǔ)塊，根據(jù)不同架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)不同容量，最大可達(dá)幾十Mb。

FPGA中的RAM主要包括:

• 分布式RAM：存在于邏輯塊(LE)中的小容量RAM，通常為幾百比特到幾千比特。
• 塊RAM：FPGA中專門用于實(shí)現(xiàn)RAM功能的大容量存儲(chǔ)塊，每個(gè)塊RAM容量從幾kb到幾十kb不等。
• UltraRAM：某些高端FPGA特有的大容量RAM塊，比塊RAM具有更高的密度和帶寬。

1、分布式RAM（Distributed RAM）

分布式RAM利用查找表(LUT)的功能實(shí)現(xiàn)，不需要占用額外Flip-Flop，但會(huì)占用可用于邏輯實(shí)現(xiàn)的LUT資源。

每個(gè)LUT可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)小容量的RAM，例如6輸入LUT實(shí)現(xiàn)64位RAM。

注意分布式RAM只能實(shí)現(xiàn)同步讀寫操作。

2、塊RAM（Block RAM）

每個(gè)塊RAM通常有單端口、雙端口和四端口版本。

支持同步讀寫操作，可以通過多端口實(shí)現(xiàn)FIFO等功能。

例如Xilinx UltraScale FPGA中一個(gè)塊RAM容量為36kb，位寬可配置,延時(shí)很小，頻率可以達(dá)到550MHz。

3、UltraRAM

UltraRAM集成在部分高端FPGA中，每個(gè)UltraRAM可以達(dá)到數(shù)十Mb的容量,具有比塊RAM更高的密度和帶寬。

UltraRAM可以與塊RAM一起使用，實(shí)現(xiàn)更大容量的存儲(chǔ)解決方案。

Verilog 代碼示例

(* ram_style = "distributed" *) reg [7:0] dist_ram[0:63]; // 64 x 8 的分布式RAM  
(* ram_style = "block" *) reg [31:0] block_ram[0:1023]; // 1K x 32 的塊RAM  
(* ram_style = "ultra" *) reg [7:0] ultra_ram[0:262143]; // 256K x 8 的UltraRAM

二、 ROM

ROM(Read-Only Memory)是只讀存儲(chǔ)器，用于存放不需修改的數(shù)據(jù)。

FPGA中的ROM主要有:

• 分布式ROM：使用LUT實(shí)現(xiàn),容量很小。
• 塊ROM：使用塊RAM實(shí)現(xiàn),容量較大。

ROM在配置時(shí)寫入數(shù)據(jù)之后數(shù)據(jù)不能修改。ROM主要用于存放程序代碼等不變數(shù)據(jù)。

Verilog 代碼示例

(* rom_style = "distributed" *) reg [7:0] dist_rom[0:31]; // 32 x 8 分布式ROM  
(* rom_style = "block" *) reg [31:0] block_rom[0:2047]; // 2K x 32 塊ROM

三、CAM

CAM（Content-Addressable Memory）是一種特殊類型的內(nèi)存結(jié)構(gòu)，也稱為內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器，可以通過內(nèi)容查找數(shù)據(jù)所在位置。

CAM主要應(yīng)用:

• 網(wǎng)絡(luò)查找：根據(jù)目的地址查找路由端口。
• 緩存查詢：根據(jù)TAG查詢緩存中是否存在數(shù)據(jù)。

CAM的工作原理：

基于硬件電路的快速匹配，當(dāng)輸入一串?dāng)?shù)據(jù)時(shí)，CAM會(huì)同時(shí)比較這串?dāng)?shù)據(jù)與內(nèi)部存儲(chǔ)的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)。如果找到完全匹配的數(shù)據(jù)項(xiàng)，CAM就會(huì)輸出該數(shù)據(jù)項(xiàng)的地址。

CAM的優(yōu)點(diǎn)：高速查找、精確匹配、并行處理。

CAM的缺點(diǎn)：容量受限、功耗較高、價(jià)格昂貴。

四、SRAM

SRAM(Static RAM)是一種常用的隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器（RAM）類型，它以靜態(tài)方式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不需要定期刷新。也稱為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。

SRAM在速度和功率消耗方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是容量較小，成本較高。

SRAM通常用于存儲(chǔ)CPU或FPGA內(nèi)部的寄存器、緩存或臨時(shí)變量等。

SRAM主要由存儲(chǔ)單元陣列、地址解碼器和讀寫控制電路等組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元都包含一個(gè)雙口RAM，可以獨(dú)立地進(jìn)行讀/寫操作。每個(gè)RAM有兩位，即一個(gè)存儲(chǔ)單元可以存儲(chǔ)一個(gè)比特（bit）的數(shù)據(jù)。

SRAM還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)讀取功能，即在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)，預(yù)讀下一個(gè)數(shù)據(jù)，從而提高訪問速度。此外，SRAM還可以實(shí)現(xiàn)雙端口訪問，即同時(shí)對兩個(gè)不同的存儲(chǔ)單元進(jìn)行讀寫操作。

Verilog 代碼示例

sram_controller sram_inst (
  .clk    (clk),
  .addr   (addr),
  .dout   (dout),
  .din    (din),
  .we     (we),
  .ce     (ce),
  .oe     (oe)
);

五、 DRAM

全稱動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Dynamic Random Access Memory），是一種用于存儲(chǔ)和訪問大規(guī)模數(shù)據(jù)的主要存儲(chǔ)器技術(shù)。

DRAM以其高密度、容量大和低功耗等特點(diǎn)，以Gigabit（Gb）為單位提供大容量存儲(chǔ)，在FPGA中得到廣泛的應(yīng)用，比如常見的DDR3、DDR4等等。

FPGA的DRAM可以使用不同的接口標(biāo)準(zhǔn)，如DDR3、DDR4、LPDDR、HBM等。這些接口標(biāo)準(zhǔn)定義了DRAM與其他系統(tǒng)組件（如處理器、其他存儲(chǔ)器、外設(shè)等）之間的通信協(xié)議和物理連接。

相比SRAM，DRAM擁有更大的容量，順序讀寫速度快，隨機(jī)讀寫速度慢。

Verilog 代碼示例

ddr3_controller ddr3_inst(

  .clk        (clk),
  .reset_n    (reset_n),

  .s_axi_awid    (s_axi_awid),
  .s_axi_awaddr  (s_axi_awaddr),
  .s_axi_awlen   (s_axi_awlen),
  .s_axi_awsize  (s_axi_awsize),
  .s_axi_awburst (s_axi_awburst),
  .s_axi_awlock  (s_axi_awlock),
  .s_axi_awcache (s_axi_awcache),
  .s_axi_awprot  (s_axi_awprot),
  .s_axi_awvalid (s_axi_awvalid),
  .s_axi_awready (s_axi_awready),

  // Write data channel
  .s_axi_wdata  (s_axi_wdata),  
  .s_axi_wstrb  (s_axi_wstrb),
  .s_axi_wlast  (s_axi_wlast),
  .s_axi_wvalid (s_axi_wvalid),
  .s_axi_wready (s_axi_wready)

);

六、FLASH

FLASH是一種非易失存儲(chǔ)器，斷電后保持?jǐn)?shù)據(jù)，容量小，但成本低廉。

FPGA中的FLASH主要用于:

• 存儲(chǔ)配置文件：許多FPGA使用FLASH來保存配置文件。
• 程序存儲(chǔ)：用于存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)。

FLASH存儲(chǔ)器以塊為單位進(jìn)行擦除和寫入操作。擦除操作需要將整個(gè)塊中的數(shù)據(jù)清除，而寫入操作只需修改需要更新的部分?jǐn)?shù)據(jù)。

寫入操作通常采用位編程（bit programming）的方式進(jìn)行。在位編程中，根據(jù)需要將存儲(chǔ)單元的電荷狀態(tài)改變，以表示0或1的值。

與其他存儲(chǔ)器類型相比，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器的讀取延遲較高，而擦除和寫入操作的速度也相對較慢。此外，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器的擦寫次數(shù)有限，通常在百萬到數(shù)十億之間。

Verilog 代碼示例

flash_controller flash_inst(

  .clk(clk),

  .flash_cs(flash_cs),
  .flash_clk(flash_clk), 
  .flash_io(flash_io),

  .addr(addr),
  .dout(dout),
  .din(din),
  .oe(oe),
  .we(we) 
);

七、總結(jié)

FPGA提供了多種內(nèi)部和外部的存儲(chǔ)器解決方案，根據(jù)需要可以靈活使用，構(gòu)建存儲(chǔ)器系統(tǒng)。合理利用各類存儲(chǔ)器的優(yōu)缺點(diǎn)，可以在成本、容量和速度上取得最佳平衡。