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一、RAM
1、分布式RAM
2、块RAM
3、UltraRAM
二、 ROM
三、CAM
四、SRAM
五、 DRAM
六、FLASH
七、总结
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RAM：FPGA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
CAM（Content-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Gigabit（Gb）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SRAM，DRAM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。