如何让级联URAM获得最佳时序性能

1. 前言

在上一篇文章里《如何使用UltraScale+芯片中UltraRam资源》，我们向大家介绍了在RTL设计中使用URAM的方法。其中，我们推荐大家使用Xilinx参数化宏(XPM)的方法来调用URAM。通过XPM调用的URAM的方法如下：

在模板中选择“Verilog”->“Xilinx Parameterized Macros (XPM)”->“XPM”->“XPM_MEMORY” ->“Simple Dual Port Ram”

用户必须在MEMORY_PRIMITIVE类属上指定值 ”ultra”，以明确指示vivado 综合使用 UltraRam。

那么问题来了，还有个参数“READ_LATENCY_A/B”该设多少？这个参数影响URAM的读操作需要滞后多少时钟周期才能将读数据输出。

2. 级联URAM须知

单个URAM器件的数据位宽为72bit，地址深度为4096，存储容量为288Kb。因此，当用户需要大于288Kb存储容量空间时，需要级联多个URAM器件。在Kintex UltraScale+和Zynq UltraScale+器件中，级联得到的RAM阵列可高达36Mb，在Virtex UltraScale+系列中，所有UltraRAM列都可通过光纤路由连接在一起，在最大器件中可构成容量达360Mb的存储器阵列。

下图展示了一个4 x 4的URAM阵列级联结构，在纵向的一列中，每个URAM使用内置级联电路进行级联。在横向多列之间，URAM通过外部级联电路进行互连，即水平级联电路。

但是，URAM和Bram (block ram)不太一样。在工作时钟频率不变情况下，深度级联URAM阵列会使得数据输出延迟越来越大，因为需要在级联的URAM模块中插入多级流水线，以保证模块能时序收敛。

同样，想保证输出延迟固定，级联越多的URAM会导致整个级联的URAM可工作的时钟频率越低。

因此，我们需要谨慎的设置“READ_LATENCY_A/B”参数，来保证级联的URAM模块能按自己的需求时序收敛并正常地工作。

注意： 如果使用XPM来调用URAM模块，则URAM内部可用的流水线阶数是设定的LATENCY值减去2。例如，如果“READ_LATENCY_A/B”参数设为10，则允许8个寄存器阶段用于流水线操作。

3. URAM性能估计

从上文，我们知道，LATENCY值的设置取决于URAM级联的深度、工作频率。下表以4x4的URAM矩阵为例，总结了流水线级数与可实现的最大工作频率之间的关系。

注： 实际的延迟仍取决于设计中最终的布局布线结果。

注： 下表是基于Virtex UltraScale+ speed -2器件为基础给的结果。

注： 该级联的URAM阵列最大只支持8级流水线**。**

注： LATENCY取值为表中流水级数值加2。

4. 检查设计是否达到最优时序

第3节中的表只是一个参考，让大家大致了解级联的流水线级数、输出延迟、工作频率之间的关系。如果我已经完成了设计，指定好了“READ_LATENCY_A/B”参数的值，如何确定该延迟值是否设置的最优呢？

Vivado工具是提供了相应的综合报告来告知工程师级联的URAM模块是否能到达最优时序。工程师在Vivado的GUI里，选中“Messages”一栏，查找有关URAM的提示。

一般提示如下，对应的解决方法附在其后：

相信经过这两篇文章总结，大家在如何使用URAM问题上应该不会有太多的疑惑。

5.总结

本文向大家介绍了如何通过XPM调用URAM，并让级联URAM获得最佳时序性能，如果觉得我们原创或引用的文章写的还不错，帮忙点赞和推荐吧，谢谢您的关注。