基于FPGA设计的BRAM内部结构

时间:2025-04-27  作者:Diven  阅读:0

在FPGA设计中,我们往往会遇到如下图所示路径。图中FF、F1和F2均为触发器,其中FF为SlICe中的触发器,F1和F2为BRAM内部触发器。在高速时钟频率下,这种路径的最大缺陷是未使用F2,使得BRAM从输入到输出的Latency为1。为什么F2对BRAM时序性能如此重要?这就要从BRAM内部结构说起。

基于FPGA设计的BRAM内部结构

BRAM内部结构如下图所示,无论是7系列FPGA,还是UltraScale/UltraScale+,亦或是Versal,BRAM内部结构是一致的。该结构呈现如下几个特征:(1)所有输入信号(除时钟外)无论是数据信号还是控制信号,进入BRAM内部之后都会先过一级流水寄存器(2)BRAM的输出数据信号可以从图中的锁存器(Latch)输出,也可以从末级触发器输出(3)输入时钟可以是上升沿采样,也可以是下降沿采样,默认上升沿采样。采样沿的转换在BRAM内部完成。基于这些特征,我们可以得出:BRAM从输入到到输出Latency最小为1,最大为2。

再看末级触发器对BRAM时序性能的影响,下图依次展示了7系列FPGA、UltraScale+和Versal芯片在未使用和使用末级触发器两种情形下时钟到输出的延迟。以-2芯片为例,可以看到7系列由2.13降至0.74,降幅达65.3%;UltraScale+从1.02降至0.29,降幅达71.5%;Versal芯片从0.797降至0.234,降幅达70.6%。以400M时钟为例,对应时钟周期为2.5ns,延迟从0.797降至0.234,减小了0.563,对应时钟周期的22.5%,这还是很可观的。

审核编辑:黄飞

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