FPGA从入门到精通(8)-BRAM

所使用EDA软件：VIVADO2018.3

FPGA型号：xc7a35tcsg325-2

很久没写了，随便写一篇BRAM的吧。说到BRAM ，很多人都喜欢拿它来DRAM比较，两者都有啥优缺点，其实我也拿不准。不过一般来说，存储较大的数据时用BRAM，存储较小的数据时用DRAM。多大为大，多小为小，这个不用care。一句话，你能让时序跑过，功能没毛病的前提下，最后总体资源还OK就行了，不用纠结。

BRAM的一些概念，如单口（Single Port ，简称SP），简单双端口（SDP，Simple Dual Port），真双端口（TDP，True Dual Port）其实和DRAM差不多这里我就不多加累述。有需要的同学可以回到下面的连接去看。

JAsper灬兰：FPGA从入门到精通(3) - DRAM

在做读操作的时候，BRAM和DRAM不同。DRAM是组合逻辑直接输出，BRAM则是时序逻辑输出。我们看一下BRAM（图1）的结构就可以知道为啥。因为我们DRAM把地址送进去的时候是不需要时钟的（地址作为LUT输入，数据作为LUT输出，中间无寄存）。然而BRAM把地址送进去的时候是要过寄存器滴，所以数据也是要有时钟才能输出。此外BRAM的输出还内嵌了个寄存器，我们打拍输出的时候可以使用它，这样就能省下SLICE上的寄存器资源。

图1：BRAM的内部结构（单个输出端口）

接下来我们通过解释IP的形式大概讲一下BRAM

图2：显示了BRAM IP的基本选项

图2：BRAM IP

左边的IP SYMBOL（省略末尾的a/b）

addr：端口地址输入
clk ：端口时钟输入
din : 端口数据输入
dout: 端口数据输出
ena：端口使能输入，高有效
rst ：端口复位输入，高有效
wea：写使能/Byte 写使能输入，高有效

右边的Basic选项

Interface类型可以选Native或者AXI。用RAM的话一般都只用Native ，AXI的话一般是用到相应的处理器内核时，处理器内的数据需要和BRAM交互（如ZYNQ中的PS和PL交互）。
MEMORY 类型可以选RAM,或者ROM。RAM可以选SP SDP TDP 。ROM 由于只读，所以只会有SP 和 DP。
ECC，当MEMORY类型为SDP RAM的时候可以用ECC，ECC主要作用是单bit纠错，双bit检错。ECC分为软ECC和硬ECC，软ECC在数据位宽较小的时候使用（16以内），并且需要消耗BRAM以外的FPGA资源。硬ECC在数据位宽较大时候使用，不需要消耗额外FPGA资源。
Write Enable，写使能。在BRAM 作写操作的时候，可以用写相应的bit来指示当前byte是否写入。
Algorithm Options 。这个算法选项主要用于决定BRAM的拼接的方式，一般在BRAM深度、宽度较大的时候起作用（准确来讲是1个18K BRAM或者1个36K BRAM无法满足BRAM所需存储大小的时候）。它有三个选项，1.Minimum Area（小面积）。2.低功耗（Lower Power）。3.（Fixed Primitives）固定原语，可选16kx1,8kx2等。前两个看名字就知道是啥意思，第3个的话就是用固定原语的方式来生成你想要的BRAM，这个主要是在不同器件间工程移植用的比较多，例如你在XILINX 移植到ALTERA或者LATTICE的器件，它们单个BRAM 的原语都是类似的。如果要在多平台对工程/IP进行移植，用这个选项的话修改的东西会比较少。

图3：显示了BRAM Port A的选项

图3.BRAM Port A的选项

Memory Size（图4）

图4：Memory Size

里面主要配置的有读/写的数据宽度，读/写数据的深度。在做设计的时候我一般推荐用的2^n以及18K/36 BRAM的数据宽度/深度（图5、图6）特性来决定。

图5：18K BRAM支持的数据位宽/深度

图6：18K BRAM支持的数据位宽/深度

然后详细说说BRAM的三种模式，敲黑板咯，这是重点

第一种，WRITE_FIRST（写先于读），其时序图如图7所示

图7:WRITE_FIRST模式

WRITE_FIRST的时序图，在红线以前，WE=0 ，即端口做的是读操作。在CLK上升沿后，地址aa里的数据打到DO。在红线后，WE=1，即端口做的是写操作。在CLK上升沿后，DI的数据存入到地址bb里，与此同时输入的数据DI直接打到去输出DO，(⊙﹏⊙)原先存在bb里的数据嘛还没出来就被冲掉。就像老实人还没表白就被渣男抢占了，这就是WRITE_FIRST的特性。

第二种，READ_FIRST（读先于写），其时序图如图8所示

图8：READ_FIRST模式

READ_FIRST的时序图，在红线以前，WE=0 ，即端口做的是读操作。在CLK上升沿后，地址aa里的数据打到DO。在红线后，WE=1，即端口做的是写操作。在CLK上升沿后，DI的数据存入到地址bb里，与此同时原先存放在地址bb的数据输出到DO。就像处了一段时间，新男/女朋友替换掉前男/女朋友。这就是READ_FIRST的特性。

第三种，NO_CHANGE，其时序图如图9所示

图9：NO_CHANGE模式

NO_CHANGE的时序图，在红线以前，WE=0 ，即端口做的是读操作。在CLK上升沿后，地址aa里的数据打到DO。在红线后，WE=1，即端口做的是写操作。在CLK上升沿后，DI的数据存入到地址bb里，与此同时输出DO的数据保持不变（依旧是地址aa里的数据）。就像处了一段时间，表面上其乐融融，实际内部已经被隔壁老王给替代。这就是NO_CHANGE的特性。

ENA、ENB是BRAM对应端口的使能信号。

PortA Optional Output Register（图10），与复位相关的几个选项

图10：PortA Optional Output Register

里面的选项有4个，都是为了提高BRAM的运行频率或者改善时序的（当然也增加了延迟）

1.Primitives Output Register ，使用BRAM内部的寄存器打拍输出

2.Primitives Output Register ，使用SLICE的寄存器打拍输出

3.SoftECC Input Register ，当使用软ECC的时候，用SLICE的寄存器打拍。

4.REGCEA，当使用Primitives Output Register时，可以用REGCEA 来使能/去使能相应的输出。

PortA Optional Resert（图11），与复位相关的几个选项

图11：PortA Optional Resert

1.RSTA Pin ，BRAM复位，高有效

2.Output Reset Value ，复位时，输出的值

3.Reset Memory Latch ，当不使用Primitives Output Register时，复位操作是复位锁存器的。当我们使用Primitives Output Register时，不选该选项，复位操作只复位寄存器。选上该选项，寄存器和锁存器同时复位

4.Reset Prority ，复位优先级。它的选项有CE 和 SR 。当我们选择CE的时候，只有ENA为高时，RSTA复位才生效(图12)。当我们选择SR时，无论ENA是高是低，RSTA复位都会生效（图13）。

图12：优先级为CE时的复位时序图

图13：优先级为SR时的复位时序图（输出离上升沿会有延迟）

PortA Address Change A（图14），该选项用于指示读地址是否改变，在某些低功耗场景会应用到（实际上我并没用过）。

图14：PortA Address Change A

PORTB的内容与PORTA一样，省略。

接下来,大概说一下Other Options（图15）

图15 ：Other Options

Pipeline Stages Within Mux ，这个选项时可选0，1，2，3。这是在大位宽、大深度的BRAM拼接场景，我们会用MUX来输出地址所对应的数据，输出数据后为了更好的时序，可以用寄存器打拍。（这个选项的使用需要PORTA PORTB同时开启，并且还要开CORE OUTPUT REGISTER，即SLICE上的寄存器）
Memory Initialization。给BRAM赋予初值，需要用到COE文件。
Structual/UniSim Simulation Model Options，用于仿真时，对读写冲突、写写冲突的告警（注：读写冲突即PORTA PORTB在同一时刻对同一地址做一读一写操作，写写冲突即PORTA PORTB在同一时刻对同一地址做写操作）
Behavioral Simulation Model Options ，用于关闭仿真时的冲突告警、超出范围告警。
Safety logic to minimize BRAM data corruption，在PORTA 或PORTB进行复位时，用busy信号对其进行指示。

关于读写冲突、写写冲突，在这里列两张表（图16、图17）给大家参考参考。不过在设计中还是推荐用逻辑去避免这种情况。

图16：PORTA PORTB在同一时钟域下的读写

图17：PORTA PORTB在不同时钟域下的读写

当然，这些冲突只有在TDP模式下才会有，SDP SP模式下是不会产生的。在可以避免冲突的情况下，官方推荐使用NO CHANGE模式来节省功耗。

最后看下Summary（图18）

图18：BRAM IP的Summary

从Summary可以看到，这个IP我用的是位宽16，地址深度16（2^4）的BRAM ，1个18K BRAM就可以搞定。读延迟为2clk，这里需要注意的是这个2clk是对于采样而言的。如图19所示，我们在第一条红线给地址，然后锁存器上立马有数据(do_l)了,然后由于我加了个寄存器,数据打1拍才输出(do_r),但是数据刚发送不可能立刻采集到，需要等待一个时钟上升沿(即1拍)才能采集，所以Read Latency = （1拍+1拍）=2拍

图19：数据读取时序

写完，收工！

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