FPGA中塊RAM的分布和特性

導(dǎo)讀：

在選擇FPGA時，關(guān)注LUT（Look-Up Table）和BRAM（Block RAM）是非常重要的，因為它們是FPGA架構(gòu)中的兩個核心資源，對于設(shè)計的性能和資源利用至關(guān)重要。

BRAM（Block Random Access Memory，隨機存取內(nèi)存塊），塊RAM是嵌在FPGA內(nèi)部、固定大小(容量)的硬IP。

為什么要嵌入豐富的塊RAM？對于需要大量存儲器的應(yīng)用，比如需要大規(guī)模的數(shù)據(jù)存儲，如圖像、視頻、音頻等，塊RAM是一個理想的選擇。塊RAM提供了高密度的存儲，能夠有效地存儲和檢索大量數(shù)據(jù)；對于需要頻繁訪問的數(shù)據(jù)，塊RAM可以用作數(shù)據(jù)緩存；一些算法可能需要大量的中間數(shù)據(jù)存儲，使用塊RAM可以提供快速且容量大的存儲，用來支持這些算法的運行；異步時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸通常需要使用FIFO（First-In-First-Out）緩沖區(qū)。

在FPGA開發(fā)中，使用塊RAM的多少取決于設(shè)計的性質(zhì)和對性能的需求。在設(shè)計過程中，通過合理的資源規(guī)劃和優(yōu)化，可以有效地利用塊RAM以滿足應(yīng)用的需求。

注：以xilinx7系列690T為例

塊RAM的分布

圖1：產(chǎn)品選型指南

一些應(yīng)用可能更加側(cè)重于邏輯資源，而另一些應(yīng)用可能更加側(cè)重于存儲資源，如上圖1所示，以690t為例，Block RAM總數(shù)目為1470，總?cè)萘繛?2920kb。上圖中的Distributed RAM 是 FPGA中的一種內(nèi)置存儲器資源。與塊RAM不同，分布式RAM分散在FPGA的邏輯區(qū)域中，而不是集中在特定的塊中。分布式RAM主要由可編程邏輯元件（LUTs）和觸發(fā)器（Flip-Flops）組成。每個LUT都有一些存儲單元，用于存儲少量的數(shù)據(jù)。這些存儲單元可以被組合起來，形成一個分布式的存儲器。簡單的說Distributed RAM就是FPGA用內(nèi)部的邏輯單元拼湊而來的。一般較少使用，本文不重點討論。

圖2：7系列 塊RAM資源

如圖2可知，690T一共包含1470個塊RAM，一個有15“列” 36Kb的BRAM，每“列”有100個36Kb的BRAM。結(jié)合下文圖3、圖4用Vivado打開實際device（690T）的視圖說明，看過我前面文章的讀者可知，690T一共20個時鐘區(qū)域，圖4是將圖3最上方4個時鐘區(qū)域放大后的截圖，先看圖4，其中每一個小紅箭頭代表1“列”36kb的BRAM，一共15個小紅箭頭（每以列共100個36kb的BRAM）。細心的讀者可能發(fā)現(xiàn)，圖2的表格一共有15列，每列100個，總數(shù)應(yīng)該是1500個，為什么圖2的表格總數(shù)只有1470？答案就在圖3里面，因為有一些BRAM已經(jīng)分配給一些高速硬核使用了，比如690T的PCIe 硬IP。

圖3：Device視圖

圖4：Device視圖（圖3最上方4個時鐘區(qū)域放大截圖）

圖5：工程“綜合實現(xiàn)”后的資源消耗指示圖

圖5是筆者基于690T開發(fā)的一個實際工程綜合實現(xiàn)后的資源消耗，BRAM一共使用273個，評估你所選擇的FPGA是否合適，最主要就是看邏輯資源和BRAM使用情況，當然特殊要求除外（如DSP、其他硬IP等）

塊RAM的特性和按“列”分布原因

FPGA塊RAM的特性很多，讀者不在這里細述每一個特性，讀者自行參考廠商原文檔，因為是硬IP。可能每個廠商支持的特性各不相同，使用時需要注意幾點的是：

• 每個塊RAM均可存儲最多36 Kbits的數(shù)據(jù)（每個廠商的內(nèi)嵌的塊大小可能不一樣）；
• 支持將一個單獨的36Kb塊RAM分成兩個獨立的18Kb塊使用（具體看廠商規(guī)格書）；
• 兩個相鄰的塊RAM可以組合成一個更深的64K x 1內(nèi)存（具體看廠商規(guī)格書）；
• 支持端口模式（簡單雙端口（SDP）、真雙端口（TDP）。（具體看廠商規(guī)格書）。

FPGA中的塊RAM按列分布的設(shè)計選擇通常是出于性能和資源利用的考慮。這種設(shè)計決策涉及到FPGA內(nèi)部架構(gòu)和數(shù)據(jù)流的優(yōu)化。

1. 性能優(yōu)化： FPGA內(nèi)部的塊RAM通常是在每個列中集中分布。這樣設(shè)計有助于減小數(shù)據(jù)路徑的長度，從而減小延遲，提高訪問速度。如果塊RAM散布在整個FPGA芯片上，可能需要更長的路徑來連接塊RAM和其他邏輯單元，導(dǎo)致性能下降。
2. 資源共享： FPGA中的資源是有限的，通過將塊RAM集中在每個列中，可以更好地進行資源共享。這有助于防止資源爭用和碎片化，使得在某一列中的塊RAM更容易分配給鄰近的邏輯單元，減少資源沖突。
3. 時序和布線簡化： FPGA中的時序分析和布線操作通常是按列進行的。將塊RAM集中在每一列中可以簡化時序分析，減小時序問題的復(fù)雜性，使得設(shè)計更容易達到目標時鐘頻率。

總結(jié)

按列分布塊RAM是一種有效的設(shè)計選擇，有助于提高性能、優(yōu)化資源利用，并簡化時序和布線操作。不過，具體的FPGA架構(gòu)和設(shè)計工具可能會有一些差異，因此在具體的FPGA系列和工具鏈中可能會有一些微妙的差異。