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一、RAM
RAM(Random Access Memory)是FPGA中最基本和常用的内部存储块#xff0c;根据不同架构可以实现不同容量#xff0c;最大可达几十Mb。
FPGA中的RAM主要包括: 分布式RAM#xff1a;存在于逻辑块…本文主要介绍FPGA中常用的RAM、ROM、CAM、SRAM、DRAM、FLASH等资源。
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RAMFPGA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
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
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
CAMContent-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。
FPGA中的CAM主要应用有: 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的工作原理是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的优点包括高速查找、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GigabitGb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SRAMDRAM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。 本文将不断定期更新中码字不易点⭐️赞收⭐️藏一下不走丢哦
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