FPGA设计中BRAM的知识科普

存储技术

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描述

FPGA设计中,BRAM是一项非常关键的内置存储资源,FPGA开发需要熟练使用BRAM,今天再复习一下BRAM的知识,包括BRAM的定义、组成、应用等等。

一、BRAM介绍

1、BRAM的定义

RAM是Random Access Memory,也就是随机访问数据存储器,RAM的内部是一个一个小内存单元(可以看成是一个小格子)组成。

每个内存单元都对应一个地址编号。

当我们需要读写数据时,就访问对应的内存单元地址,很快地把数据写入或者读取出来。

BRAM是Block RAM,也就是FPGA中专用RAM资源,固定分布在FPGA内部的特定位置。

分布式RAM(Distributed RAM或DRAM)是由FPGA的LUT逻辑资源组合而成。

2、BRAM的组成

BRAM在FPGA实际对应的资源是RAMB36E1和RAMB18E1。

(1)RAMB36E1

RAMB36E1是一种具有36KB容量的Block RAM,由两个独立的18KB BRAM(Block RAM,RAMB18E1)组成。

一个36K的Block Memory可以配置成4种情形:

  • 全部用于配置成36KB的BRAM;
  • 全部用于配置成36KB的FIFO;
  • 配置成18KB的BRAM和18KB的BRAM;
  • 配置成18KB的BRAM和18KB的FIFO;

这里需要注意的是,不能配置成两个18KB的FIFO,因为一个Block Memory中间有一个FIFO Logic结构,它用于生成FIFO控制信号,包括读/写地址等,由于它只有1个且不能共享,所以最多只能配置一个FIFO。

(2)RAMB18E1

RAMB18E1是一种具有18KB容量的Block RAM,是Xilinx FPGA重要的内置Block RAM配置模块,提供高速的同步存储访问能力。

(3)FPGA的BRAM数量

BRAM资源是FPGA中非常重要的资源,不同型号FPGA芯片的BRAM数量不一样,以xilinx kintex 7系列为例。

DRAM

(4)FPGA的BRAM性能

不同FPGA型号,是否嵌入输出寄存器,决定了BRAM运行的时钟频率上限。

DRAM

二、BRAM的应用

1、ROM

BRAM可以实现ROM功能,只支持读不支持写,只需在定义IP和调用IP时,初始化ROM值即可。

(1)单端口ROM(Single-port ROM)

只有一个端口可读,应用于程序代码存储、初始化ROM。

DRAM

(2)双端口ROM(Dual-port ROM)

有两个独立的读数据端口,常用于在两个处理器/系统之间共享的单 ROM。

DRAM

2、RAM

(1)单端口RAM(Single-port RAM)

只有一个端口,这个端口支持读数据或者写数据。

DRAM

(2)简单双端口ROM(Simple Dual-port RAM)

有两个端口A和B,A端口支持写,B端口支持读。

DRAM

(3)真双端口ROM(Simple Dual-port RAM)

有两个端口A和B,每个端口都支持读和写。

DRAM

3、FIFO

FIFO可以通过BRAM来实现先进先出功能,有两种类型:同步fifo和异步fifo。

DRAM

三、总结

BRAM是FPGA内部专用的存储资源,性能优异但数量有限,每一个BRAM是36Kb大小,也可以配置成2个18Kb的BRAM,BRAM可以用来实现多种不同位宽和深度的RAM/ROM/FIFO,在FPGA中应用非常广泛和灵活。

使用BRAM可以实现FPGA芯片内部的高速缓存、流水线等功能。合理利用这一硬件资源可以显著优化FPGA设计。

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