FPGA中创建内存片段（Memory）和FIFO

只看该作者 · 2012-2-11 16:40

在FPGA中创建内存片段（Memory）和FIFO时，需要设置其在FPGA上的实现（Implementation）方式。不同的实现方式分别涉及到FPGA中不同的硬件资源，包括：触发器（Flip-flops），查找表（LUT, Look-up Table）和存储块（Block Memory）。
在讲解实现方式之前，我们需要了解实现方式涉及到哪些硬件资源？这些硬件资源在FPGA上是如何构成的？之间又存在着什么样的关系？
1.    逻辑块（Logic Block）
逻辑块由很多逻辑单元（Logic Cell or Slice etc）组成，典型的逻辑单元是由一个4输入查找表，一个全加器（Full Adder）和一个D型触发器组成。FPGA利用查找表实现组合逻辑，并且每个查找表连接到一个D型触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动IO。

2.    嵌入式内存（Embedded RAM）
·       大多数FPGA都具有嵌入式内存，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。其可被配置为单端口、双端口、内存地址存储器以及FIFO等常用数据结构。除了嵌入式内存，还可以将FPGA中的查找表灵活的配制成RAM、ROM和FIFO等结构。
当然，除了逻辑块和嵌入式内存外，FPGA中还有时钟管理、布线资源等硬件模块，这里就不做详细介绍。
下面将针对创建内存片段和FIFO分别介绍各自的实现方式。

1. 内存片段（Memory）
在FPGA中创建内存片段时，我们可以指定它存储到内存块，查找表或DRAM中。由于并不是所有硬件都支持使用DRAM创建内存片段，因此我们只在下文对比通过内存块和查找表创建内存片段时的差别。
1.1.存储块
通过存储块实现内存片段，是将数据存储在嵌入式内存块中。
该实现方式适用于如下情况：
1.    由于操作通过存储块创建的内存片段需要耗用一个时钟周期，因此，当使用单周期定时循环（Single-Cycle Timed Loop）时，不允许在同一个周期中对内存片段进行多个操作。例如，先写后读。
2.    当您需要很大的内存片段时。
3.    当您的FPGA上没有足够的逻辑资源时。
1.2. 查找表
通过查找表实现内存片段，是将数据存储在FPGA中的查找表中。它消耗FPGA中的逻辑资源，例如，加法器、减法器等。
该实现方式适用于如下情况：
1.    在单周期定时循环中，需要对内存片段进行多个操作时。
2.    当您需要的内存片段远远小于FPGA上嵌入的存储块大小时。
3.    当您的FPGA上没有足够的存储块时。
2. FIFO
在FPGA中创建FIFO时，我们可以指定它存储到触发器，查找表和存储块中。
2.1. 触发器
通过触发器实现FIFO，是将数据存储在FPGA的触发器中。相比之下，具有最佳的执行性能。主要在小数据量的情况下使用，例如，不超过100字节。通过触发器实现的FIFO无法在不同时钟域的单周期定时循环中使用。
2.2. 查找表
通过查找表实现FIFO，是将数据存储在FPGA查找表中。一般用于数据量在100字节到300字节这个范围内。和触发器实现一样，通过查找表实现的FIFO无法在不同时钟域的单周期定时循环中使用。
2.3. 存储块
通过存储块实现FIFO，是将数据存储在嵌入式内存中。主要在大数据量的情况下使用，例如，超过300字节。当使用目标范围（Target-Scoped）或VI范围（VI-Scoped）的FIFO时，如果该FIFO是通过存储块实现的，您需要在写入数据6个时钟周期（Tick）后，才可以从FIFO中读取到数据。