FPGA中常用的存儲器資源

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)部存儲塊，根據(jù)不同架構(gòu)可以實現(xiàn)不同容量，最大可達幾十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中專門用于實現(xiàn)RAM功能的大容量存儲塊，每個塊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)的功能實現(xiàn)，不需要占用額外Flip-Flop，但會占用可用于邏輯實現(xiàn)的LUT資源。

每個LUT可以實現(xiàn)一個小容量的RAM，例如6輸入LUT實現(xiàn)64位RAM。

注意分布式RAM只能實現(xiàn)同步讀寫操作。

2、塊RAM（Block RAM）

每個塊RAM通常有單端口、雙端口和四端口版本。

支持同步讀寫操作，可以通過多端口實現(xiàn)FIFO等功能。

例如Xilinx UltraScale FPGA中一個塊RAM容量為36kb，位寬可配置,延時很小，頻率可以達到550MHz。

3、UltraRAM

UltraRAM集成在部分高端FPGA中，每個UltraRAM可以達到數(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，實現(xiàn)更大容量的存儲解決方案。

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實現(xiàn),容量很小。
• 塊ROM：使用塊RAM實現(xiàn),容量較大。

ROM在配置時寫入數(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)容可尋址存儲器，可以通過內(nèi)容查找數(shù)據(jù)所在位置。

CAM主要應用:

• 網(wǎng)絡查找：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，當輸入一串數(shù)據(jù)時，CAM會同時比較這串數(shù)據(jù)與內(nèi)部存儲的所有數(shù)據(jù)項。如果找到完全匹配的數(shù)據(jù)項，CAM就會輸出該數(shù)據(jù)項的地址。

CAM的優(yōu)點：高速查找、精確匹配、并行處理。

CAM的缺點：容量受限、功耗較高、價格昂貴。

四、SRAM

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

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CPU或FPGA內(nèi)部的寄存器、緩存或臨時變量等。

SRAM主要由存儲單元陣列、地址解碼器和讀寫控制電路等組成。每個存儲單元都包含一個雙口RAM，可以獨立地進行讀/寫操作。每個RAM有兩位，即一個存儲單元可以存儲一個比特（bit）的數(shù)據(jù)。

SRAM還可以實現(xiàn)預讀取功能，即在讀取數(shù)據(jù)的同時，預讀下一個數(shù)據(jù)，從而提高訪問速度。此外，SRAM還可以實現(xiàn)雙端口訪問，即同時對兩個不同的存儲單元進行讀寫操作。

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

全稱動態(tài)隨機存取存儲器（Dynamic Random Access Memory），是一種用于存儲和訪問大規(guī)模數(shù)據(jù)的主要存儲器技術(shù)。

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

FPGA的DRAM可以使用不同的接口標準，如DDR3、DDR4、LPDDR、HBM等。這些接口標準定義了DRAM與其他系統(tǒng)組件（如處理器、其他存儲器、外設等）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是一種非易失存儲器，斷電后保持數(shù)據(jù)，容量小，但成本低廉。

FPGA中的FLASH主要用于:

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

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

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

與其他存儲器類型相比，F(xiàn)LASH存儲器的讀取延遲較高，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)部和外部的存儲器解決方案，根據(jù)需要可以靈活使用，構(gòu)建存儲器系統(tǒng)。合理利用各類存儲器的優(yōu)缺點，可以在成本、容量和速度上取得最佳平衡。