如何FPGA内部的RAM进行读改写操作

存储器是FPGA设计中的常用单元，对存储器的操作，最基础的就是读写操作，还有一种就是读改写操作，即先读出存储器中的数据，对其进行修改后，再写入存储器。这样的操作其实在大多数情况下都是非常简单的，不值一提，但是在某些有性能要求的场景下，就需要一些考虑。

比如输入是一个8bit的数据，取值为0-255，求每个数值出现的次数，即同时0出现多少次，1出现多少次……

读改写的问题

我们先以最简单的例子，对FPGA内部的RAM进行读改写操作，看看是什么情况，假定需要对RAM中的数据读出来加1后再写回原地址，如下图所示：

通过读地址A，在下一个cycle得到数据X，然后对X进行加一操作后，再写回地址A。我们可以看到，整个过程需要3个cycle的时间。如果再对地址A开启读操作，就需要在第四个cycle开始，否则就读不到最新的数据。换句话说，上述操作无法进行流水操作，每次读改写操作至少需要3个cycle的时间（对于其他更加复杂的“改”操作，可能需要消耗更多的时间）。对于性能要求较高的场景，必须要流水操作的时候，如何处理呢？

解决方案

我们知道不能流水的原因是因为最新的数据可能没有写回RAM，还在数据总线上，因此判断最新的数据在哪里就是解决这个问题的关键。这里还需要用到一个“cache”，用reg来实现，主要是记录即将要写入RAM的地址和数据，即记录写总线上的地址和数据。其实现原理可以用一个时序图来展示。

我们假定要读的地址是AABA，但是为了区分，我们用A1、A2、B1、A3来表示（A1、A2、A3其实是同一个地址）。我们看看如何利用“cache”实现流水式的读改写操作。

第1个时钟周期，读A1的内容，此时cache的内容也为0；

第2个时钟周期，A1的内容在dout上，为x，我们同时拿A1这个地址去“cache”查询，由于“cache”为空，不取“cache”中的值，直接取dout上的值作为改写的对象；同时也开始读A2的内容；

第3个时钟周期，主要做2个更新，一是根据第2个周期中出现的A1和dout的值，更新到“cache”中，二是将更新的数据和地址放在写总线上，这2个更新的内容其实是一致的，都是改和写的过程；同时拿A2去查询“cache”；

第4个时钟周期，根据查询的结果，例子中为“cache”命中，选择“cache”中的内容x+1为改写对象，而不是dout上读取的值，所以写入的内容为x+2。同时根据第三个时钟周期中的A2来更新cache，将A2和对应写入的值x+2更新到“cache”中，此时“cache”中有2个内容，一个是A1和值x+1，一个是A2和值x+2；

从第4个时钟周期可以看到，读A2这个地址得到的值，不是从dout上获取的，而是从“cache”中获取的，这就是利用“cache”来实现读改写的流水操作。

在第5个时钟周期，用A3去查询“cache”时，“cache”中有2个A，即A1和A2，这时我们去最“新”的A，即A2的值x+2作为改写对象。

总结

在高性能的读改写场景下，利用“cache”可以实现读改写的流水操作，大大提高了处理性能。当然如果输入的数据并不是流水的，采用最简单的方式实现读改写即可。