基于FPGA BRAM的多端口地址查找表与FPGA BRAM的资源分析

一、背景

在多端口交换机的设计中，交换机的每个端口都会各自维护一张查找表，数据帧进入到交换机后，需要进行查表和转发。但随着端口数量和表项需求的增加，每个端口都单独维护一张表使得FPGA的资源变得非常紧张。因此，需要一张查找表（本质是可读可写的RAM），能够满足多读多写的功能。但在Xilinx FPGA上，Xilinx提供的BRAM IP最高只能实现真双端口RAM。不能满足多读多写的需求。

补充：这里不使用其他RAM类型如URAM的原因是，BRAM拥有更好的时序，更适合在高速交换中用于查找表。

二、手写Multiport Ram

Multiport Ram，即多读多写存储器，本工程实现的是1个口写，同时满足11个口读的BRAM。

为了让vivado在综合的时候把手写ram例化为BRAM，我们需要按照官方手册的要求编写multiport ram。这时需要通过(*ram_style="block"*)对array进行修饰。

查看Vivado的官方手册ug901可知，对于Distributed RAM（LUTRAM）和Dedicated Block RAM（BRAM），二者都是写同步的。主要区别在于读数据，前者为异步，后者为同步的。

下面给出一种手写多端口bram的方案并给出一种优化FPGA bram资源利用的方法。

Multiport RAM 代码方案

实现多端口bram最简单的方法就是把读数据部分的逻辑复制11份，写数据部分的逻辑保留1份。

部分代码如下，实现位宽73bit，深度为16K的multiport ram：

(*ram_style="block"*)reg [DATA_WIDTH-1:0] bram [0:DEPTH-1];
/*-------------复制读端口11份---------------*/
    always @(posedge clk)
    begin
        if(re1)
            rd_data1 <= bram[rd_addr1];
        else
            rd_data1 <= rd_data1;
    end
/*-----------------------------------------*/
    //write
    always @(posedge clk)
    begin
        if(we)
            bram[wr_addr]<=wr_data;
    end
endmodule

资源评估

利用vivado综合实现后，消耗的资源如下

MultiportRAM：16K深度，73位宽的单口写，11口读的RAM消耗的BRAM数为192个。

普通真双口RAM：利用vivado IP核生成的16K深度，73bit位宽的真双口RAM消耗的BRAM数为32个。即如果11个端口各自维护一张地址查找表共使用352个RAM。

对比发现，在满足11个端口同时读地址查找表的条件下，多端口RAM比普通RAM节约了45%左右的BRAM资源

三、Multiport RAM 资源利用的优化

可能有的同学说，在某些大工程里面，192个BRAM还是有点多。下面我给出了一种降低BRAM资源消耗的方法。

首先我们把例化的ram array的位宽翻倍

//原本
(*ram_style="block"*)reg [DATA_WIDTH-1:0] bram [0:DEPTH-1];
//现在
(*ram_style="block"*)reg [DATA_WIDTH+DATA_WIDTH-1:0] bram [0:DEPTH-1];

（有同学会问了，这样资源消耗不是翻倍了吗？···别急！）

我们把需要写入RAM的数据，73位写data复制成两份，同时写进bram的高73位和低73位，地址不变，其中multi_wdata是我们要写进表中的73位表项，代码如下：

//bram例化模块的写使能、地址和数据
    .we       (   multi_wr),
    .wr_addr  (multi_waddr),
.wr_data({multi_wdata,multi_wdata})

在bram输出中，每两个端口共用一个143位的bram行，并根据使能情况赋值：

   //read1
    assign rd_data1_wire = rd_data1[72:0]  ;
    assign rd_data2_wire = rd_data2[145:73];
    always @(posedge clk)
    begin
        if (re1 & re2) begin
            rd_data1 <=  bram[rd_addr1];
            rd_data2 <=  bram[rd_addr2];
        end
        else 
        if(re1) begin
             rd_data1 <=  bram [rd_addr1];
        end
        else if (re2) begin
            rd_data2 <= bram [rd_addr2];
        end 


    end

***补充：具体代码在文章开头链接

资源评估

利用vivado综合实现后，消耗的资源如下

MultiportRAM：16K深度，146位宽的单口写，11口读的RAM消耗的BRAM数为112个。

普通真双口RAM：利用vivado IP核生成的16K深度，73bit位宽的真双口RAM消耗的BRAM数为32个。即如果11个端口各自维护一张表共使用352个RAM

对比发现，在满足11个端口同时读地址查找表的条件下，多端口RAM比普通RAM节约了68%左右的BRAM资源

四、防止读写冲突的组合逻辑设计（写优先）

代码原理，利用组合逻辑时序，当写入地址和读地址相同时，写入地址、数据正常进行，但读端口不对RAM进行读取，而是将写入端的数据直接赋值给读出端的数据。

下一拍，即读写冲突结束后的下一拍，再读一拍RAM中的数据，使得读端口数据保持这一次读的结果（因为组合逻辑在读写冲突时没有真正读RAM，所以RAM输出data会保持上一次输出的data），但这一步不是必要的，纯粹为了好看。

部分代码如下：

//防止读写冲突，且为写优先逻辑
assign multi_rdata0 =(multi_raddr0_f ==multi_waddr_f && multi_raddr0_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata0_ram ;
assign multi_rdata1 =(multi_raddr1_f ==multi_waddr_f && multi_raddr1_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata1_ram ;
assign multi_rdata2 =(multi_raddr2_f ==multi_waddr_f && multi_raddr2_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata2_ram ;
assign multi_rdata3 =(multi_raddr3_f ==multi_waddr_f && multi_raddr3_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata3_ram ;
assign multi_rdata4 =(multi_raddr4_f ==multi_waddr_f && multi_raddr4_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata4_ram ;
assign multi_rdata5 =(multi_raddr5_f ==multi_waddr_f && multi_raddr5_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata5_ram ;
assign multi_rdata6 =(multi_raddr6_f ==multi_waddr_f && multi_raddr6_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata6_ram ;
assign multi_rdata7 =(multi_raddr7_f ==multi_waddr_f && multi_raddr7_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata7_ram ;
assign multi_rdata8 =(multi_raddr8_f ==multi_waddr_f && multi_raddr8_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata8_ram ;
assign multi_rdata9 =(multi_raddr9_f ==multi_waddr_f && multi_raddr9_f !='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata9_ram ;
assign multi_rdata10=(multi_raddr10_f==multi_waddr_f && multi_raddr10_f!='b0 )?multi_wdata_f:multi_rdata10_ram;


assign multi_raddr0_ram =(multi_raddr0_f ==multi_waddr_f && multi_raddr0_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr0;
assign multi_raddr1_ram =(multi_raddr1_f ==multi_waddr_f && multi_raddr1_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr1;
assign multi_raddr2_ram =(multi_raddr2_f ==multi_waddr_f && multi_raddr2_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr2;
assign multi_raddr3_ram =(multi_raddr3_f ==multi_waddr_f && multi_raddr3_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr3;
assign multi_raddr4_ram =(multi_raddr4_f ==multi_waddr_f && multi_raddr4_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr4;
assign multi_raddr5_ram =(multi_raddr5_f ==multi_waddr_f && multi_raddr5_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr5;
assign multi_raddr6_ram =(multi_raddr6_f ==multi_waddr_f && multi_raddr6_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr6;
assign multi_raddr7_ram =(multi_raddr7_f ==multi_waddr_f && multi_raddr7_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr7;
assign multi_raddr8_ram =(multi_raddr8_f ==multi_waddr_f && multi_raddr8_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr8;
assign multi_raddr9_ram =(multi_raddr9_f ==multi_waddr_f && multi_raddr9_f !='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr9;
assign multi_raddr10_ram=(multi_raddr10_f==multi_waddr_f && multi_raddr10_f!='b0 )?multi_waddr_f: multi_raddr10;






assign multi_rd0_ram =(multi_raddr0 ==multi_waddr && multi_raddr0!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr0_f ==multi_waddr_f && multi_raddr0_f !='b0  )?multi_rd0_f :multi_rd0 );
assign multi_rd1_ram =(multi_raddr1 ==multi_waddr && multi_raddr1!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr1_f ==multi_waddr_f && multi_raddr1_f !='b0  )?multi_rd1_f :multi_rd1 );
assign multi_rd2_ram =(multi_raddr2 ==multi_waddr && multi_raddr2!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr2_f ==multi_waddr_f && multi_raddr2_f !='b0  )?multi_rd2_f :multi_rd2 );
assign multi_rd3_ram =(multi_raddr3 ==multi_waddr && multi_raddr3!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr3_f ==multi_waddr_f && multi_raddr3_f !='b0  )?multi_rd3_f :multi_rd3 );
assign multi_rd4_ram =(multi_raddr4 ==multi_waddr && multi_raddr4!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr4_f ==multi_waddr_f && multi_raddr4_f !='b0  )?multi_rd4_f :multi_rd4 );
assign multi_rd5_ram =(multi_raddr5 ==multi_waddr && multi_raddr5!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr5_f ==multi_waddr_f && multi_raddr5_f !='b0  )?multi_rd5_f :multi_rd5 );
assign multi_rd6_ram =(multi_raddr6 ==multi_waddr && multi_raddr6!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr6_f ==multi_waddr_f && multi_raddr6_f !='b0  )?multi_rd6_f :multi_rd6 );
assign multi_rd7_ram =(multi_raddr7 ==multi_waddr && multi_raddr7!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr7_f ==multi_waddr_f && multi_raddr7_f !='b0  )?multi_rd7_f :multi_rd7 );
assign multi_rd8_ram =(multi_raddr8 ==multi_waddr && multi_raddr8!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr8_f ==multi_waddr_f && multi_raddr8_f !='b0  )?multi_rd8_f :multi_rd8 );
assign multi_rd9_ram =(multi_raddr9 ==multi_waddr && multi_raddr9!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr9_f ==multi_waddr_f && multi_raddr9_f !='b0  )?multi_rd9_f :multi_rd9 );
assign multi_rd10_ram=(multi_raddr10==multi_waddr && multi_raddr1!='b0  )?  1'b0:((multi_raddr10_f==multi_waddr_f && multi_raddr10_f!='b0  )?multi_rd10_f:multi_rd10);

***补充：具体代码在文章开头链接

读写冲突的仿真结果如下：

五、Multiport RAM仿真和时序

所有写端口都是一拍写入。读端口是第一拍读使能，读地址，第二拍读出数据。

1.单口写数据

2.单端口读数据

3.多口读相同数据

4.多口同时读不同数据

审核编辑：刘清