FPGA设计中BRAM的知识科普

FPGA设计中，BRAM是一项非常关键的内置存储资源，FPGA开发需要熟练使用BRAM，今天再复习一下BRAM的知识，包括BRAM的定义、组成、应用等等。

一、BRAM介绍

1、BRAM的定义

RAM是Random Access Memory，也就是随机访问数据存储器，RAM的内部是一个一个小内存单元(可以看成是一个小格子)组成。

每个内存单元都对应一个地址编号。

当我们需要读写数据时，就访问对应的内存单元地址，很快地把数据写入或者读取出来。

BRAM是Block RAM，也就是FPGA中专用RAM资源，固定分布在FPGA内部的特定位置。

分布式RAM（Distributed RAM或DRAM）是由FPGA的LUT逻辑资源组合而成。

2、BRAM的组成

BRAM在FPGA实际对应的资源是RAMB36E1和RAMB18E1。

（1）RAMB36E1

RAMB36E1是一种具有36KB容量的Block RAM，由两个独立的18KB BRAM（Block RAM，RAMB18E1）组成。

一个36K的Block Memory可以配置成4种情形：

• 全部用于配置成36KB的BRAM；
• 全部用于配置成36KB的FIFO；
• 配置成18KB的BRAM和18KB的BRAM；
• 配置成18KB的BRAM和18KB的FIFO；

这里需要注意的是，不能配置成两个18KB的FIFO，因为一个Block Memory中间有一个FIFO Logic结构，它用于生成FIFO控制信号，包括读/写地址等，由于它只有1个且不能共享，所以最多只能配置一个FIFO。

（2）RAMB18E1

RAMB18E1是一种具有18KB容量的Block RAM，是Xilinx FPGA重要的内置Block RAM配置模块，提供高速的同步存储访问能力。

（3）FPGA的BRAM数量

BRAM资源是FPGA中非常重要的资源，不同型号FPGA芯片的BRAM数量不一样，以xilinx kintex 7系列为例。

（4）FPGA的BRAM性能

不同FPGA型号，是否嵌入输出寄存器，决定了BRAM运行的时钟频率上限。

二、BRAM的应用

1、ROM

BRAM可以实现ROM功能，只支持读不支持写，只需在定义IP和调用IP时，初始化ROM值即可。

（1）单端口ROM（Single-port ROM）

只有一个端口可读，应用于程序代码存储、初始化ROM。

（2）双端口ROM（Dual-port ROM）

有两个独立的读数据端口，常用于在两个处理器/系统之间共享的单 ROM。

2、RAM

（1）单端口RAM（Single-port RAM）

只有一个端口，这个端口支持读数据或者写数据。

（2）简单双端口ROM（Simple Dual-port RAM）

有两个端口A和B，A端口支持写，B端口支持读。

（3）真双端口ROM（Simple Dual-port RAM）

有两个端口A和B，每个端口都支持读和写。

3、FIFO

FIFO可以通过BRAM来实现先进先出功能，有两种类型：同步fifo和异步fifo。

三、总结

BRAM是FPGA内部专用的存储资源，性能优异但数量有限，每一个BRAM是36Kb大小，也可以配置成2个18Kb的BRAM，BRAM可以用来实现多种不同位宽和深度的RAM/ROM/FIFO，在FPGA中应用非常广泛和灵活。

使用BRAM可以实现FPGA芯片内部的高速缓存、流水线等功能。合理利用这一硬件资源可以显著优化FPGA设计。