如何通過Vivado Synthesis中的URAM矩陣自動流水線化來實現(xiàn)最佳時序性能

UltraRAM 原語（也稱為 URAM）可在 Xilinx UltraScale + 架構(gòu)中使用，而且可用來高效地實現(xiàn)大容量深存儲器。由于大小和性能方面的要求，通常這類存儲器不適合使用其他存儲器資源來實現(xiàn)。URAM 原語具有實現(xiàn)高速內(nèi)存訪問所需的可配置流水線屬性和專用級聯(lián)連接。流水線階段和級聯(lián)連接是使用原語上的屬性來配置的。

本篇博文描述的是通過將 URAM 矩陣配置為使用流水線寄存器來實現(xiàn)最佳時序性能的方法。

流水線需求

通過在矩陣結(jié)構(gòu)中連接多個 URAM，從可用的 URAM 原語實現(xiàn)大容量深存儲器。

矩陣由 URAM 的行和列組成。一列中的 URAM 使用內(nèi)置級聯(lián)電路級聯(lián)，且多列 URAM 通過外部級聯(lián)電路互連，這被稱為水平級聯(lián)電路。

作為示例，圖 1 示出了針對 64K 深 x 72 位寬存儲器的 4x4 URAM 矩陣的矩陣分解。

4 行 4 列的 URAM 矩陣（可實現(xiàn) 64K 深 72 位寬的存儲器）

在沒有流水線設(shè)計的情況下，深度聯(lián)結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致內(nèi)存訪問出現(xiàn)大的時鐘輸出延遲。例如，在默認(rèn)情況下，上述 URAM 矩陣可以達(dá)到約 350 MHz。要以更快的速度訪問內(nèi)存，應(yīng)插入流水線。如果在網(wǎng)表中指定了一定數(shù)量的輸出時延，Vivado Synthesis 即會自動實現(xiàn)此功能。

指定RTL設(shè)計中的流水線

有兩種方法可以用來指定 RTL 設(shè)計中的流水線的用途，可以通過使用 XPM 流程，也可以通過行為 RTL 來推斷內(nèi)存。

如果 RTL 設(shè)計通過 XPM 流程來創(chuàng)建 URAM 內(nèi)存，則用戶可以將對流水線的要求指定為 XPM 實例的參數(shù)。參數(shù)“READ_LATENCY_A/B”用于捕獲內(nèi)存的時延要求。

可用的流水線階段數(shù)是 LATENCY 值減去 2。例如，如果 Latency 設(shè)置為 10，則允許 8 個寄存器階段用于流水線操作。另外兩個寄存器可用來創(chuàng)建 URAM 本身。

使用 XPM 設(shè)置流水線設(shè)計

如果用戶使用 Vivado 用戶指南中提供的模板來編寫 RTL，并通過此方法來創(chuàng)建 URAM，那么，他們可以在 URAM 的輸出時創(chuàng)建盡可能多的寄存器階段。唯一的要求是，與數(shù)據(jù)一起，流水線寄存器的啟用也需要流水線化。

圖 3 顯示數(shù)據(jù)和流水線的啟用。

URAM 塊輸出時的數(shù)據(jù)及流水線啟用規(guī)范

圖 4 示出了 RTL 級 RAM 流水線設(shè)計示例。

用來指定數(shù)據(jù)和流水線啟用的 verilog 模板

分析日志文件：

Vivado Synthesis 根據(jù)上下文環(huán)境和場景發(fā)布與 URAM 流水線相關(guān)的不同消息。下表說明要在 vivado.log 文件中查找的一些消息和要采取的相應(yīng)操作。

請注意，推薦的流水線階段基于可實現(xiàn)最高性能(800 MHz+)的完全流水線化的矩陣。此建議不受實際時序約束的限制。

時間性能估計：

下表說明流水線寄存器的數(shù)量與可實現(xiàn)的最大估計頻率之間的關(guān)系。

請注意，實際的時間數(shù)仍將取決于最終地點和路線結(jié)果。

下列數(shù)字基于 speedgrade-2 Virtex UltraScale+ 部件以及我們使用 4x4 矩陣實現(xiàn)的 64K x 72 URAM 示例工程。

數(shù)據(jù)路徑延遲具有以下一個或多個組件。

Tco = 1.38 ns, Clk To CascadeOut on URAM

Tco = 0.82 ns, Clk To CascadeOut on URAM with OREG=true

Tco = 0.726 ns, Clk to Dataout on URAM with OREG=true, CASCADE_ORDER = LAST

URAM -> URAM級聯(lián)延遲= 0.2 ns

URAM -> LUT信號網(wǎng)絡(luò)延遲= 0.3 ns

LUT傳輸延遲= 0.125 ns

LUT -> LUT信號網(wǎng)絡(luò)延遲= 0.2 ns

LUT5 -> FF延遲= 0.05

結(jié) 論

URAM 原語是創(chuàng)建容量非常大的 RAM 結(jié)構(gòu)的有效方法。它們被設(shè)置為易于級聯(lián)以便在您的設(shè)計中創(chuàng)建容量更大的 RAM。

但是，太多這類結(jié)構(gòu)級聯(lián)在一起可能會通過 RAM 產(chǎn)生很大的延遲。從長遠(yuǎn)來看，花時間讓您的 RAM 完全流水線化會帶來很多好處。

URAM 原語是創(chuàng)建容量非常大的 RAM 結(jié)構(gòu)的有效方法。它們被設(shè)置為易于級聯(lián)以便在您的設(shè)計中創(chuàng)建容量更大的 RAM。

但是，太多這類結(jié)構(gòu)級聯(lián)在一起可能會通過 RAM 產(chǎn)生很大的延遲。從長遠(yuǎn)來看，花時間讓您的 RAM 完全流水線化會帶來很多好處。

審核編輯：湯梓紅