如何FPGA內(nèi)部的RAM進(jìn)行讀改寫操作

存儲器是FPGA設(shè)計中的常用單元，對存儲器的操作，最基礎(chǔ)的就是讀寫操作，還有一種就是讀改寫操作，即先讀出存儲器中的數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行修改后，再寫入存儲器。這樣的操作其實在大多數(shù)情況下都是非常簡單的，不值一提，但是在某些有性能要求的場景下，就需要一些考慮。

比如輸入是一個8bit的數(shù)據(jù)，取值為0-255，求每個數(shù)值出現(xiàn)的次數(shù)，即同時0出現(xiàn)多少次，1出現(xiàn)多少次……

讀改寫的問題

我們先以最簡單的例子，對FPGA內(nèi)部的RAM進(jìn)行讀改寫操作，看看是什么情況，假定需要對RAM中的數(shù)據(jù)讀出來加1后再寫回原地址，如下圖所示：

通過讀地址A，在下一個cycle得到數(shù)據(jù)X，然后對X進(jìn)行加一操作后，再寫回地址A。我們可以看到，整個過程需要3個cycle的時間。如果再對地址A開啟讀操作，就需要在第四個cycle開始，否則就讀不到最新的數(shù)據(jù)。換句話說，上述操作無法進(jìn)行流水操作，每次讀改寫操作至少需要3個cycle的時間（對于其他更加復(fù)雜的“改”操作，可能需要消耗更多的時間）。對于性能要求較高的場景，必須要流水操作的時候，如何處理呢？

解決方案

我們知道不能流水的原因是因為最新的數(shù)據(jù)可能沒有寫回RAM，還在數(shù)據(jù)總線上，因此判斷最新的數(shù)據(jù)在哪里就是解決這個問題的關(guān)鍵。這里還需要用到一個“cache”，用reg來實現(xiàn)，主要是記錄即將要寫入RAM的地址和數(shù)據(jù)，即記錄寫總線上的地址和數(shù)據(jù)。其實現(xiàn)原理可以用一個時序圖來展示。

我們假定要讀的地址是AABA，但是為了區(qū)分，我們用A1、A2、B1、A3來表示（A1、A2、A3其實是同一個地址）。我們看看如何利用“cache”實現(xiàn)流水式的讀改寫操作。

第1個時鐘周期，讀A1的內(nèi)容，此時cache的內(nèi)容也為0；

第2個時鐘周期，A1的內(nèi)容在dout上，為x，我們同時拿A1這個地址去“cache”查詢，由于“cache”為空，不取“cache”中的值，直接取dout上的值作為改寫的對象；同時也開始讀A2的內(nèi)容；

第3個時鐘周期，主要做2個更新，一是根據(jù)第2個周期中出現(xiàn)的A1和dout的值，更新到“cache”中，二是將更新的數(shù)據(jù)和地址放在寫總線上，這2個更新的內(nèi)容其實是一致的，都是改和寫的過程；同時拿A2去查詢“cache”；

第4個時鐘周期，根據(jù)查詢的結(jié)果，例子中為“cache”命中，選擇“cache”中的內(nèi)容x+1為改寫對象，而不是dout上讀取的值，所以寫入的內(nèi)容為x+2。同時根據(jù)第三個時鐘周期中的A2來更新cache，將A2和對應(yīng)寫入的值x+2更新到“cache”中，此時“cache”中有2個內(nèi)容，一個是A1和值x+1，一個是A2和值x+2；

從第4個時鐘周期可以看到，讀A2這個地址得到的值，不是從dout上獲取的，而是從“cache”中獲取的，這就是利用“cache”來實現(xiàn)讀改寫的流水操作。

在第5個時鐘周期，用A3去查詢“cache”時，“cache”中有2個A，即A1和A2，這時我們?nèi)プ睢靶隆钡腁，即A2的值x+2作為改寫對象。

總結(jié)

在高性能的讀改寫場景下，利用“cache”可以實現(xiàn)讀改寫的流水操作，大大提高了處理性能。當(dāng)然如果輸入的數(shù)據(jù)并不是流水的，采用最簡單的方式實現(xiàn)讀改寫即可。