FPGA中常用的存储器资源

FPGA中常用的存储器资源本文主要介绍FPGA中常用的RAM、ROM、CAM、SRAM、DRAM、FLASH等资源，包括特性、工作原理、应用场景等。一、RAMRAM(RandomAccessMemory)是FPGA中最基本和常用的内部存储块，根据不同架构可以实现不同容量，最大可达几十Mb。FPGA中的RAM主要包括:分布式RAM：存在于逻辑块(LE)中的小容量RAM，通常为几百比特到几千比特。块RAM：FPGA中专门用于实现RAM功能的大容量存储块，每个块RAM容量从几kb到几十kb不等。UltraRAM：某些高端FPGA特有的大容量RAM块，比块RAM具有更高的密度和带宽。1、分布式RAM（DistributedRAM）分布式RAM利用查找表(LUT)的功能实现，不需要占用额外Flip-Flop，但会占用可用于逻辑实现的LUT资源。每个LUT可以实现一个小容量的RAM，例如6输入LUT实现64位RAM。注意分布式RAM只能实现同步读写操作。2、块RAM（BlockRAM）每个块RAM通常有单端口、双端口和四端口版本。支持同步读写操作，可以通过多端口实现FIFO等功能。例如XilinxUltraScaleFPGA中一个块RAM容量为36kb，位宽可配置,延时很小，频率可以达到550MHz。3、UltraRAMUltraRAM集成在部分高端FPGA中，每个UltraRAM可以达到数十Mb的容量,具有比块RAM更高的密度和带宽。UltraRAM可以与块RAM一起使用，实现更大容量的存储解决方案。Verilog代码示例(*ram_style="distributed"*)reg[7:0]dist_ram[0:63];//64x8的分布式RAM(*ram_style="block"*)reg[31:0]block_ram[0:1023];//1Kx32的块RAM(*ram_style="ultra"*)reg[7:0]ultra_ram[0:262143];//256Kx8的UltraRAM二、ROMROM(Read-OnlyMemory)是只读存储器，用于存放不需修改的数据。FPGA中的ROM主要有:分布式ROM：使用LUT实现,容量很小。块ROM：使用块RAM实现,容量较大。ROM在配置时写入数据之后数据不能修改。ROM主要用于存放程序代码等不变数据。Verilog代码示例(*rom_style="distributed"*)reg[7:0]dist_rom[0:31];//32x8分布式ROM(*rom_style="block"*)reg[31:0]block_rom[0:2047];//2Kx32块ROM三、CAMCAM（Content-AddressableMemory）是一种特殊类型的内存结构，也称为内容可寻址存储器，可以通过内容查找数据所在位置。CAM主要应用:网络查找：根据目的地址查找路由端口。缓存查询：根据TAG查询缓存中是否存在数据。CAM的工作原理：基于硬件电路的快速匹配，当输入一串数据时，CAM会同时比较这串数据与内部存储的所有数据项。如果找到完全匹配的数据项，CAM就会输出该数据项的地址。CAM的优点：高速查找、精确匹配、并行处理。CAM的缺点：容量受限、功耗较高、价格昂贵。四、SRAMSRAM(StaticRAM)是一种常用的随机访问存储器（RAM）类型，它以静态方式存储数据，不需要定期刷新。也称为静态随机存储器。SRAM在速度和功率消耗方面表现优异，但是容量较小，成本较高。SRAM通常用于存储CPU或FPGA内部的寄存器、缓存或临时变量等。SRAM主要由存储单元阵列、地址解码器和读写控制电路等组成。每个存储单元都包含一个双口RAM，可以独立地进行读/写操作。每个RAM有两位，即一个存储单元可以存储一个比特（bit）的数据。SRAM还可以实现预读取功能，即在读取数据的同时，预读下一个数据，从而提高访问速度。此外，SRAM还可以实现双端口访问，即同时对两个不同的存储单元进行读写操作。Verilog代码示例sram_controllersram_inst(.clk(clk),.addr(addr),.dout(dout),.din(din),.we(we),.ce(ce),.oe(oe));五、DRAM全称动态随机存取存储器（DynamicRandomAccessMemory），是一种用于存储和访问大规模数据的主要存储器技术。DRAM以其高密度、容量大和低功耗等特点，以Gigabit（Gb）为单位提供大容量存储，在FPGA中得到广泛的应用，比如常见的DDR3、DDR4等等。FPGA的DRAM可以使用不同的接口标准，如DDR3、DDR4、LPDDR、HBM等。这些接口标准定义了DRAM与其他系统组件（如处理器、其他存储器、外设等）之间的通信协议和物理连接。相比SRAM，DRAM拥有更大的容量，顺序读写速度快，随机读写速度慢。Verilog代码示例ddr3_controllerddr3_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),//Writedatachannel.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、FLASHFLASH是一种非易失存储器，断电后保持数据，容量小，但成本低廉。FPGA中的FLASH主要用于:存储配置文件：许多FPGA使用FLASH来保存配置文件。程序存储：用于存储代码和数据。FLASH存储器以块为单位进行擦除和写入操作。擦除操作需要将整个块中的数据清除，而写入操作只需修改需要更新的部分数据。写入操作通常采用位编程（bitprogramming）的方式进行。在位编程中，根据需要将存储单元的电荷状态改变，以表示0或1的值。与其他存储器类型相比，FLASH存储器的读取延迟较高，而擦除和写入操作的速度也相对较慢。此外，FLASH存储器的擦写次数有限，通常在百万到数十亿之间。Verilog代码示例flash_controllerflash_inst(.clk(clk),.flash_cs(flash_cs),.flash_clk(flash