如何讓級聯(lián)URAM獲得最佳時序性能

1. 前言

在上一篇文章里《如何使用UltraScale+芯片中UltraRam資源》，我們向大家介紹了在RTL設(shè)計(jì)中使用URAM的方法。其中，我們推薦大家使用Xilinx參數(shù)化宏(XPM)的方法來調(diào)用URAM。通過XPM調(diào)用的URAM的方法如下：

在模板中選擇“Verilog”->“Xilinx Parameterized Macros (XPM)”->“XPM”->“XPM_MEMORY” ->“Simple Dual Port Ram”

用戶必須在MEMORY_PRIMITIVE類屬上指定值 ”ultra”，以明確指示vivado 綜合使用 UltraRam。

那么問題來了，還有個參數(shù)“READ_LATENCY_A/B”該設(shè)多少？這個參數(shù)影響URAM的讀操作需要滯后多少時鐘周期才能將讀數(shù)據(jù)輸出。

2. 級聯(lián)URAM須知

單個URAM器件的數(shù)據(jù)位寬為72bit，地址深度為4096，存儲容量為288Kb。因此，當(dāng)用戶需要大于288Kb存儲容量空間時，需要級聯(lián)多個URAM器件。在Kintex UltraScale+和Zynq UltraScale+器件中，級聯(lián)得到的RAM陣列可高達(dá)36Mb，在Virtex UltraScale+系列中，所有UltraRAM列都可通過光纖路由連接在一起，在最大器件中可構(gòu)成容量達(dá)360Mb的存儲器陣列。

下圖展示了一個4 x 4的URAM陣列級聯(lián)結(jié)構(gòu)，在縱向的一列中，每個URAM使用內(nèi)置級聯(lián)電路進(jìn)行級聯(lián)。在橫向多列之間，URAM通過外部級聯(lián)電路進(jìn)行互連，即水平級聯(lián)電路。

但是，URAM和Bram (block ram)不太一樣。在工作時鐘頻率不變情況下，深度級聯(lián)URAM陣列會使得數(shù)據(jù)輸出延遲越來越大，因?yàn)樾枰诩壜?lián)的URAM模塊中插入多級流水線，以保證模塊能時序收斂。

同樣，想保證輸出延遲固定，級聯(lián)越多的URAM會導(dǎo)致整個級聯(lián)的URAM可工作的時鐘頻率越低。

因此，我們需要謹(jǐn)慎的設(shè)置“READ_LATENCY_A/B”參數(shù)，來保證級聯(lián)的URAM模塊能按自己的需求時序收斂并正常地工作。

注意： 如果使用XPM來調(diào)用URAM模塊，則URAM內(nèi)部可用的流水線階數(shù)是設(shè)定的LATENCY值減去2。例如，如果“READ_LATENCY_A/B”參數(shù)設(shè)為10，則允許8個寄存器階段用于流水線操作。

3. URAM性能估計(jì)

從上文，我們知道，LATENCY值的設(shè)置取決于URAM級聯(lián)的深度、工作頻率。下表以4x4的URAM矩陣為例，總結(jié)了流水線級數(shù)與可實(shí)現(xiàn)的最大工作頻率之間的關(guān)系。

注： 實(shí)際的延遲仍取決于設(shè)計(jì)中最終的布局布線結(jié)果。

注： 下表是基于Virtex UltraScale+ speed -2器件為基礎(chǔ)給的結(jié)果。

注： 該級聯(lián)的URAM陣列最大只支持8級流水線**。**

注： LATENCY取值為表中流水級數(shù)值加2。

4. 檢查設(shè)計(jì)是否達(dá)到最優(yōu)時序

第3節(jié)中的表只是一個參考，讓大家大致了解級聯(lián)的流水線級數(shù)、輸出延遲、工作頻率之間的關(guān)系。如果我已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)，指定好了“READ_LATENCY_A/B”參數(shù)的值，如何確定該延遲值是否設(shè)置的最優(yōu)呢？

Vivado工具是提供了相應(yīng)的綜合報告來告知工程師級聯(lián)的URAM模塊是否能到達(dá)最優(yōu)時序。工程師在Vivado的GUI里，選中“Messages”一欄，查找有關(guān)URAM的提示。

一般提示如下，對應(yīng)的解決方法附在其后：

相信經(jīng)過這兩篇文章總結(jié)，大家在如何使用URAM問題上應(yīng)該不會有太多的疑惑。

5.總結(jié)

本文向大家介紹了如何通過XPM調(diào)用URAM，并讓級聯(lián)URAM獲得最佳時序性能，如果覺得我們原創(chuàng)或引用的文章寫的還不錯，幫忙點(diǎn)贊和推薦吧，謝謝您的關(guān)注。