寄存器和流水線化 - UltraRAM是存儲技術(shù)方面的一項突破

寄存器和流水線化

每個 UltraRAM 包含多個輸入和輸出寄存器，如圖 3 所示，其中有一些是可選的，取決于配置情況和所需的功能。

圖 3 ：UltraRAM 寄存器

IREG、OREG 和 OREG_ECC 寄存器根據(jù)用戶所需的存儲器功能進行激活。此外，當把多個 UltraRAM級聯(lián)在一起時使用的寄存器為 ：IREG_PRE 和 REG_CAS。

當把多個 UltraRAM 連接在一起時需要遵守一些規(guī)則，以保持最大工作頻率 ：
? 單列陣列中的第一個實例或多列陣列每個列中的第一個實例都必須使用 IREG_PRE 寄存器。
? 如果設(shè)計中需要，OREG 和 / 或 OREG_ECC 寄存器應(yīng)針對陣列中的所有 UltraRAM 一直啟用。
? 必須每經(jīng)過四個 UltraRAM 模塊激活 REG_CAS 寄存器。
? 單列陣列中的最后一個實例或者多列陣列每列中的最后一個實例必須使用 REG_CAS 寄存器。
? 如果陣列垂直跨越多個時鐘區(qū)域，那么需要在時鐘區(qū)域邊界兩側(cè)提供附加流水線級。每個時鐘區(qū)域的每列上有 16 個 UltraRAM。

如需了解 UltraRAM 模塊的更多信息和詳細框圖，請參考 UG573《UltraScale 架構(gòu)存儲器資源用戶指南》 的第二章。

遷移到 UltraRAM

用戶一定要知道所選目標器件中不同存儲器資源的數(shù)量。有些情況下，用戶最開始可以針對只有 blockRAM 的器件，但設(shè)計最終將會針對包含 UltraRAM 的器件。這種情況下，用戶需要了解 UltraRAM 的特性，并編寫代碼以利用 block RAM 和 UltraRAM 中的特性。這樣，工具就可使用目標器件中可使用的UltraRAM，而且，當改用不同器件時用戶不必重新設(shè)計。

表 1 給出了不同 UltraScale+ 系列中 UltraRAM 的數(shù)量。在 Virtex UltraScale+ 器件中，可將所有UltraRAM 連在一起，以構(gòu)成容量高達 360Mb 的多列陣列 ；不過，也可實現(xiàn)更為常用的 10Mb-144Mb 范圍的多實例使用模型。

表 1 ：UltraScale+ 產(chǎn)品組合中的 UltraRAM 資源

所有 UltraScale+ 器件還包含可實現(xiàn)較小存儲器的 block RAM 和分布式 RAM，從而在 VU13P 中實現(xiàn)總?cè)萘砍^ 500Mb 的片上存儲器。

DS890，《UltraScale 架構(gòu)和產(chǎn)品簡介》給出了器件資源方面的更多詳情。

如果所選的器件中有 UltraRAM，應(yīng)該將其用作 144Kb 或更大的存儲器。

替代外部存儲器組件

高達 360Mb 的 UltraRAM 幾乎可配置成無數(shù)種方式，因此會有很多種使用模式。常見的 UltraRAM 使用模式是如果不實現(xiàn)在外部存儲器（例如 QDR SRAM）中，可以將存儲器整合在 FPGA 或 MPSoC 中。片上存儲器的優(yōu)勢在于可采用所需要的容量大小，而不是存儲器廠商提供的大小 ；而且存儲器在邏輯上非常接近設(shè)計中用來緩沖或存儲數(shù)據(jù)的位置。此外，為了與外部存儲器進行連接，數(shù)據(jù)必須通過存儲器接口或控制器，并且通過 FPGA/MPSoC 上的 I/O 引腳，而且外部存儲器組件會給系統(tǒng)增加很多功耗。通過以 UltraRAM 的方式在片上實現(xiàn)大容量存儲，這樣可消除 FPGA/MPSoC 的 I/O 以及外部存儲器的 I/O產(chǎn)生的功耗。

輸入多播

每個 UltraRAM 端口都可確定級聯(lián)模式中的事務(wù)處理是否屬于局部存儲器陣列。該功能可用來實現(xiàn)動態(tài)的事務(wù)處理級寫單播、多播和廣播存儲器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成高效輸出緩沖存儲器開關(guān)的基礎(chǔ)。

有一個 UltraRAM 存儲器端口專門用來寫，另一個專門用來讀。所有 UltraRAM 模塊的寫端口都采用每模塊唯一的獨熱編碼 SELF_ADDR 和相配的獨冷編碼 SELF_MASK 值配置為連續(xù)級聯(lián)形式。每個寫事務(wù)處理都可以被送到單個、多個或所有 UltraRAM 模塊，方法是設(shè)置一個或多個相應(yīng)的全局 / 高地址位，以匹配所有目標模塊的 SELF_ADDR 屬性的 logical-OR。所有 UltraRAM 模塊的讀端口都是非級聯(lián)的，能夠讓單個寫事務(wù)處理傳播到多個消費模塊。

每個 UltraRAM 模塊代表一個消費模塊的緩沖要求。要獲得更大的存儲容量，可將每個 UltraRAM 模塊改成 N 個 UltraRAM 模塊級聯(lián)成的消費模塊。

假設(shè) C 個消費模塊從 C 個邏輯存儲器（每個深度為 N 個 UltraRAM 模塊）并行讀取，那么寫端口需要一個包含所有 C * N 個 UltraRAM 模塊的連續(xù)級聯(lián)，而讀端口需要 C 個 獨立的級聯(lián)，每個深度為 N 個UltraRAM。

圖 4 給出了這樣一種配置，其中每個消費模塊有四個輸出，每個輸出需要一個 UltraRAM 模塊作為緩沖，并有兩個樣本多播事務(wù)處理分別針對 UltraRAM 模塊 0 和 1 以及 1 和 3。

圖 4 ：輸入多播

結(jié)論

每個設(shè)計都需要和使用這樣或那樣的存儲器。將大容量、靈活的 UltraRAM 模塊添加到 UltraScale+ 產(chǎn)品系列后，為用戶提供的片上存儲器容量比以往任何器件或競爭器件都要大。由于模塊可連接在一起構(gòu)成不同大小的存儲器陣列，這樣用戶就能在設(shè)計中在需要的位置構(gòu)建理想的存儲器解決方案，消除了使用外部 SRAM 組件所帶來的功耗和電路板復(fù)雜性。