FPGA中块RAM的分布和特性

导读：

在选择FPGA时，关注LUT（Look-Up Table）和BRAM（Block RAM）是非常重要的，因为它们是FPGA架构中的两个核心资源，对于设计的性能和资源利用至关重要。

BRAM（Block Random Access Memory，随机存取内存块），块RAM是嵌在FPGA内部、固定大小(容量)的硬IP。

为什么要嵌入丰富的块RAM？对于需要大量存储器的应用，比如需要大规模的数据存储，如图像、视频、音频等，块RAM是一个理想的选择。块RAM提供了高密度的存储，能够有效地存储和检索大量数据；对于需要频繁访问的数据，块RAM可以用作数据缓存；一些算法可能需要大量的中间数据存储，使用块RAM可以提供快速且容量大的存储，用来支持这些算法的运行；异步时钟域之间的数据传输通常需要使用FIFO（First-In-First-Out）缓冲区。

在FPGA开发中，使用块RAM的多少取决于设计的性质和对性能的需求。在设计过程中，通过合理的资源规划和优化，可以有效地利用块RAM以满足应用的需求。

注：以xilinx7系列690T为例

块RAM的分布

图1：产品选型指南

一些应用可能更加侧重于逻辑资源，而另一些应用可能更加侧重于存储资源，如上图1所示，以690t为例，Block RAM总数目为1470，总容量为52920kb。上图中的Distributed RAM 是 FPGA中的一种内置存储器资源。与块RAM不同，分布式RAM分散在FPGA的逻辑区域中，而不是集中在特定的块中。分布式RAM主要由可编程逻辑元件（LUTs）和触发器（Flip-Flops）组成。每个LUT都有一些存储单元，用于存储少量的数据。这些存储单元可以被组合起来，形成一个分布式的存储器。简单的说Distributed RAM就是FPGA用内部的逻辑单元拼凑而来的。一般较少使用，本文不重点讨论。

图2：7系列 块RAM资源

如图2可知，690T一共包含1470个块RAM，一个有15“列” 36Kb的BRAM，每“列”有100个36Kb的BRAM。结合下文图3、图4用Vivado打开实际device（690T）的视图说明，看过我前面文章的读者可知，690T一共20个时钟区域，图4是将图3最上方4个时钟区域放大后的截图，先看图4，其中每一个小红箭头代表1“列”36kb的BRAM，一共15个小红箭头（每以列共100个36kb的BRAM）。细心的读者可能发现，图2的表格一共有15列，每列100个，总数应该是1500个，为什么图2的表格总数只有1470？答案就在图3里面，因为有一些BRAM已经分配给一些高速硬核使用了，比如690T的PCIe 硬IP。

图3：Device视图

图4：Device视图（图3最上方4个时钟区域放大截图）

图5：工程“综合实现”后的资源消耗指示图

图5是笔者基于690T开发的一个实际工程综合实现后的资源消耗，BRAM一共使用273个，评估你所选择的FPGA是否合适，最主要就是看逻辑资源和BRAM使用情况，当然特殊要求除外（如DSP、其他硬IP等）

块RAM的特性和按“列”分布原因

FPGA块RAM的特性很多，读者不在这里细述每一个特性，读者自行参考厂商原文档，因为是硬IP。可能每个厂商支持的特性各不相同，使用时需要注意几点的是：

• 每个块RAM均可存储最多36 Kbits的数据（每个厂商的内嵌的块大小可能不一样）；
• 支持将一个单独的36Kb块RAM分成两个独立的18Kb块使用（具体看厂商规格书）；
• 两个相邻的块RAM可以组合成一个更深的64K x 1内存（具体看厂商规格书）；
• 支持端口模式（简单双端口（SDP）、真双端口（TDP）。（具体看厂商规格书）。

FPGA中的块RAM按列分布的设计选择通常是出于性能和资源利用的考虑。这种设计决策涉及到FPGA内部架构和数据流的优化。

1. 性能优化： FPGA内部的块RAM通常是在每个列中集中分布。这样设计有助于减小数据路径的长度，从而减小延迟，提高访问速度。如果块RAM散布在整个FPGA芯片上，可能需要更长的路径来连接块RAM和其他逻辑单元，导致性能下降。
2. 资源共享： FPGA中的资源是有限的，通过将块RAM集中在每个列中，可以更好地进行资源共享。这有助于防止资源争用和碎片化，使得在某一列中的块RAM更容易分配给邻近的逻辑单元，减少资源冲突。
3. 时序和布线简化： FPGA中的时序分析和布线操作通常是按列进行的。将块RAM集中在每一列中可以简化时序分析，减小时序问题的复杂性，使得设计更容易达到目标时钟频率。

总结

按列分布块RAM是一种有效的设计选择，有助于提高性能、优化资源利用，并简化时序和布线操作。不过，具体的FPGA架构和设计工具可能会有一些差异，因此在具体的FPGA系列和工具链中可能会有一些微妙的差异。