基于FPGA设计的BRAM内部结构

在FPGA设计中，我们往往会遇到如下图所示路径。图中FF、F1和F2均为触发器，其中FF为Slice中的触发器，F1和F2为BRAM内部触发器。在高速时钟频率下，这种路径的最大缺陷是未使用F2，使得BRAM从输入到输出的Latency为1。为什么F2对BRAM时序性能如此重要？这就要从BRAM内部结构说起。

BRAM内部结构如下图所示，无论是7系列FPGA，还是UltraScale/UltraScale+，亦或是Versal，BRAM内部结构是一致的。该结构呈现如下几个特征：（1）所有输入信号（除时钟外）无论是数据信号还是控制信号，进入BRAM内部之后都会先过一级流水寄存器（2）BRAM的输出数据信号可以从图中的锁存器（Latch）输出，也可以从末级触发器输出（3）输入时钟可以是上升沿采样，也可以是下降沿采样，默认上升沿采样。采样沿的转换在BRAM内部完成。基于这些特征，我们可以得出结论：BRAM从输入到到输出Latency最小为1，最大为2。

再看末级触发器对BRAM时序性能的影响，下图依次展示了7系列FPGA、UltraScale+和Versal芯片在未使用和使用末级触发器两种情形下时钟到输出的延迟。以-2芯片为例，可以看到7系列由2.13降至0.74，降幅达65.3%；UltraScale+从1.02降至0.29，降幅达71.5%；Versal芯片从0.797降至0.234，降幅达70.6%。以400M时钟为例，对应时钟周期为2.5ns，延迟从0.797降至0.234，减小了0.563，对应时钟周期的22.5%，这还是很可观的。

审核编辑：黄飞