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、RAM

RAM(Random Access Memory)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（Distributed RAM）

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（Block RAM）

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Xilinx UltraScale FPGA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、UltraRAM

UltraRAM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]; // 64 x 8 的分布式RAM  
(* ram_style = "block" *) reg [31:0] block_ram[0:1023]; // 1K x 32 的块RAM  
(* ram_style = "ultra" *) reg [7:0] ultra_ram[0:262143]; // 256K x 8 的UltraRAM

二、 ROM

ROM(Read-Only Memory)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]; // 32 x 8 分布式ROM  
(* rom_style = "block" *) reg [31:0] block_rom[0:2047]; // 2K x 32 块ROM

三、CAM

CAM（Content-Addressable Memory）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、SRAM

SRAM(Static RAM)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_controller sram_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（Dynamic Random Access Memory），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_controller ddr3_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),

  // Write data channel
  .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、FLASH

FLASH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（bit programming）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_controller flash_inst(

  .clk(clk),

  .flash_cs(flash_cs),
  .flash_clk(flash_clk), 
  .flash_io(flash_io),

  .addr(addr),
  .dout(dout),
  .din(din),
  .oe(oe),
  .we(we) 
);

七、总结

FPGA提供了多种内部和外部的存储器解决方案，根据需要可以灵活使用，构建存储器系统。合理利用各类存储器的优缺点，可以在成本、容量和速度上取得最佳平衡。