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前言

本文第一篇：FPGA邏輯設(shè)計(jì)回顧（十一）FPGA和PC中的RAM和ROM

FPGA中使用的存儲(chǔ)資源，如前兩篇文章：

DDR 也是計(jì)算機(jī)中的一個(gè)元素。 事實(shí)上，它在我們的FPGA中也得到了廣泛的應(yīng)用。 普及完它們的由來(lái)和基礎(chǔ)知識(shí)后，我們就可以講講它在FPGA中的應(yīng)用，它的使用方法，甚至它的設(shè)計(jì)等等，這些都會(huì)在后續(xù)的文章中重點(diǎn)介紹。

但你知道，在FPGA設(shè)計(jì)中，使用的小型存儲(chǔ)器更多，它們可以靈活地運(yùn)用在你的FPGA邏輯設(shè)計(jì)中，甚至無(wú)處不在！

大錘如何殺雞，DDR使用場(chǎng)景需要比較大的存儲(chǔ)空間等類似場(chǎng)景。 如果是常見的存儲(chǔ)場(chǎng)景，我們會(huì)用到本文提到的存儲(chǔ)組件，RAM和ROM。

本文討論RAM和ROM的設(shè)計(jì)，從它們?cè)陔娮赢a(chǎn)品中的應(yīng)用到IP核邏輯設(shè)計(jì)。

RAM和ROM在計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

在任何存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電子設(shè)備（例如計(jì)算機(jī)）中，各種組件協(xié)同工作來(lái)存儲(chǔ)視頻內(nèi)存。 您的硬盤驅(qū)動(dòng)器是您的主要存儲(chǔ)設(shè)備，它保存您的工作文件和個(gè)人文件，其中的信息量會(huì)影響計(jì)算機(jī)的速度。

幸運(yùn)的是，您的系統(tǒng)還可以借助其他兩種類型的視頻內(nèi)存（RAM 和 ROM）來(lái)保存您的信息。

在這里，我們將從整體上了解電子存儲(chǔ)，然后討論兩種類型的視頻內(nèi)存。 我們將比較 RAM 和 ROM 之間的異同，以幫助您更好地理解這種快速臨時(shí)存儲(chǔ)形式。

存儲(chǔ)的內(nèi)容有哪些？

在討論電子產(chǎn)品時(shí)，存儲(chǔ)器通常指任何類型的電子存儲(chǔ)設(shè)備。 但是，該術(shù)語(yǔ)很可能用于討論如何將數(shù)據(jù)保留在硬盤上，從而減少 CPU 定期訪問該數(shù)據(jù)所需的工作量。

如果您的 CPU 始終直接從硬盤驅(qū)動(dòng)器獲取此信息，您的計(jì)算機(jī)可能會(huì)變慢，并且可能會(huì)遇到性能問題。

相反，如果您使用 RAM 或 ROM 等存儲(chǔ)選項(xiàng)，您的系統(tǒng)仍然可以訪問該數(shù)據(jù)，而不會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行時(shí)間緩慢的缺點(diǎn)。

哪些是硬盤？

您的硬盤（有時(shí)稱為硬盤驅(qū)動(dòng)器、HD 或 HDD）是計(jì)算機(jī)上的永久存儲(chǔ)設(shè)備。 它是非易失性的，這意味著無(wú)論它是打開還是關(guān)閉，它都會(huì)存儲(chǔ)信息。 大多數(shù)計(jì)算機(jī)上都存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)置或時(shí)區(qū)等信息。

您的硬盤驅(qū)動(dòng)器由一個(gè)或多個(gè)用于寫入數(shù)據(jù)的盤片組成，它位于筆記本電腦內(nèi)部或外部的氣密外殼內(nèi)。

如果機(jī)箱內(nèi)部存儲(chǔ)，則稱為內(nèi)部硬盤驅(qū)動(dòng)器，它們位于驅(qū)動(dòng)器插槽中并使用電纜直接連接到顯卡。 外部驅(qū)動(dòng)器或通過 USB 端口插入計(jì)算機(jī)的外部硬盤驅(qū)動(dòng)器是另一種形式的永久數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

每臺(tái)筆記本電腦都有一個(gè)硬盤驅(qū)動(dòng)器，即使您可以從標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)升級(jí)或更換，它也將始終用于存儲(chǔ)管理操作系統(tǒng)、關(guān)鍵軟件程序和任何個(gè)人數(shù)據(jù)的文件。

其他類型的存儲(chǔ)

您的筆記本電腦不僅需要硬盤驅(qū)動(dòng)器，而且還有其他兩種存儲(chǔ)選項(xiàng)。 讓我們深入研究一下它們是什么，以更好地理解 RAM 和 ROM 之間的區(qū)別。

哪個(gè)是內(nèi)存？

RAM 是隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的縮寫，是計(jì)算機(jī)上僅次于硬盤的第二個(gè)最重要的存儲(chǔ)設(shè)備。

RAM可以實(shí)時(shí)監(jiān)控您的CPU，并在您使用CPU時(shí)主動(dòng)存儲(chǔ)您正在使用的數(shù)據(jù)和程序。 RAM 上的信息可以在任何會(huì)話中重復(fù)寫入、讀取和擦除。

與硬盤不同，RAM 被歸類為易失性視頻內(nèi)存。 這意味著如果不通電，通過 RAM 存儲(chǔ)的任何內(nèi)容都會(huì)丟失。 它不是永久存儲(chǔ)選項(xiàng)，雖然它比傳統(tǒng)硬盤快得多，但將任何關(guān)鍵文件或軟件保存在 RAM 中并不安全，因?yàn)槿绻麛嚯姡赡軙?huì)丟失它。

幸運(yùn)的是，在過去的計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)現(xiàn)代操作系統(tǒng)的人們都知道 RAM 可能是不穩(wěn)定的。 有許多故障安全外部手動(dòng)備份可用于硬盤驅(qū)動(dòng)器，以幫助在系統(tǒng)手動(dòng)關(guān)閉時(shí)消除數(shù)據(jù)丟失。

一個(gè)很好的例子是，當(dāng)您在 Word 或 Pages 中創(chuàng)建文檔時(shí)，每隔幾分鐘手動(dòng)保存一次，而不需要保存該文件以進(jìn)行數(shù)學(xué)備份。

內(nèi)存類型

RAM 是一個(gè)廣義術(shù)語(yǔ)，包括兩種不同類型的內(nèi)存。 SRAM 和 DRAM。 以下是您需要了解的有關(guān)每種類型的信息。

靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器

SRAM 是一個(gè)廣義術(shù)語(yǔ)，包括兩種不同類型的存儲(chǔ)器：SRAM 和 DRAM。

另一種簡(jiǎn)寫方式，SRAM 是指靜態(tài) RAM，其工作原理是將部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在六晶體管存儲(chǔ)單元中。 事實(shí)上，SRAM的速度非常快，但其價(jià)格卻比DRAM貴很多。

動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器

DRAM也稱為動(dòng)態(tài)RAM，其工作原理是在顯存單元中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 該單元由晶體管和電容器對(duì)組成。

哪些是 ROM？

計(jì)算機(jī)上另一種值得注意的視頻內(nèi)存類型是只讀內(nèi)存（ROM）。

顧名思義，ROM 僅在數(shù)據(jù)不是動(dòng)態(tài)時(shí)才有用，但它比 RAM 有一個(gè)優(yōu)勢(shì)——它是非易失性的。 這意味著如果斷電，它不會(huì)忘記或丟失任何信息，這使得它成為固件或其他很少更新但體積太大而無(wú)法直接存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器上的元素的不錯(cuò)選擇。

傳統(tǒng)上，ROM 數(shù)據(jù)是在芯片生產(chǎn)時(shí)添加并硬連線的。 然而，ROM 早已進(jìn)化，現(xiàn)在有支持擦除和重繪芯片上數(shù)據(jù)的選項(xiàng)。 它實(shí)際上不如 RAM 高效，但它是一種選擇。

只讀存儲(chǔ)器類型

與 RAM 一樣，您的系統(tǒng)中可能存在不止一種類型的 ROM。 以下是四種最常見的基于半導(dǎo)體的 ROM 的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

掩模ROM

傳統(tǒng)類型的 ROM，是在制造過程中寫入數(shù)據(jù)的芯片，對(duì)信息進(jìn)行永久編程。

PROM

可編程只讀存儲(chǔ)芯片（PROM）是在安裝到系統(tǒng)中后寫入數(shù)據(jù)的芯片。 它是一個(gè)非易失性且可定制的選項(xiàng)。

EPROM（可編程只讀存儲(chǔ)器）

隨著 ROM 的發(fā)展，出現(xiàn)了可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器選項(xiàng)（EPROM）。 您可以通過將芯片暴露在高強(qiáng)度紫外線下來(lái)擦除芯片上的信息，從而可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編程。

最后一類，電子可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器，或者利用場(chǎng)電子發(fā)射的方式來(lái)電子擦除芯片中的數(shù)據(jù)。 這是具有讀/寫功能的最有效的選項(xiàng)，但也是最昂貴的。

RAM 和 ROM 之間的主要區(qū)別是什么？

顯然，RAM和ROM是兩種不同的存儲(chǔ)形式，我們來(lái)分析一下它們的主要區(qū)別以及您需要了解的內(nèi)容。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

RAM 數(shù)據(jù)不會(huì)永久存儲(chǔ)在系統(tǒng)上，它可以無(wú)限期地更改。 您可以根據(jù)需要多次讀取、寫入、擦除和重新開始。

相反，ROM 數(shù)據(jù)是永久性的。 實(shí)際上有一些方法可以更改它，但功能有限并且更改可能非常耗時(shí)。

速度

由于 RAM 數(shù)據(jù)不是永久性的，因此其速率很快。 數(shù)據(jù)比 ROM 快得多，這意味著您的系統(tǒng)使用 RAM 的效率比 ROM 更高。

CPU訪問

RAM 如此快的原因之一是因?yàn)槟?CPU 可以直接訪問以這些方式存儲(chǔ)的任何數(shù)據(jù)。

對(duì)于 ROM，情況有所不同。

要訪問 ROM 信息，您的系統(tǒng)首先會(huì)將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到 RAM 中，然后允許您讀取它。

文件大小和存儲(chǔ)

RAM數(shù)據(jù)占用的空間很大，但容量也比較大。 另一方面，RAM 占用的空間較少，但存儲(chǔ)容量也較小。

如何使用

RAM 是臨時(shí)文件的主要視頻內(nèi)存，例如 CPU 緩存或 模塊。

ROM 最常用于 BIOS 或 UEFI 固件、RFID 標(biāo)簽、醫(yī)療設(shè)備或微控制器等。 基本上，任何地方都需要大型但永久的視頻存儲(chǔ)解決方案。

成本

在這兩個(gè) ROM 中，這是迄今為止最便宜的選擇。 由于可以添加到系統(tǒng)中的額外功能，RAM 成本顯著增加。

流行的 ROM 選項(xiàng)

考慮到 ROM 的局限性，您可能想知道它是否是一種有價(jià)值的視頻內(nèi)存類型。 值得注意的是，雖然它的功能不如 RAM，但它也并非沒有優(yōu)點(diǎn)。

例如，大多數(shù)聯(lián)通可連接的閃存存儲(chǔ)設(shè)備，如U盤、固態(tài)硬盤或SD卡等都屬于存儲(chǔ)設(shè)備。 由于我們上面提到的技術(shù)進(jìn)步，這些只讀技術(shù)的衍生產(chǎn)品允許您快速保存和訪問未直接存儲(chǔ)在硬盤驅(qū)動(dòng)器上的文件。

您還可以通過添加或刪除文件來(lái)修改此驅(qū)動(dòng)器，盡管此上傳和下載可能需要一些時(shí)間。 也就是說(shuō)，這些是一個(gè)非常實(shí)惠且可行的選擇，將為您提供更多的存儲(chǔ)空間，即使您的電源意外斷電，這些空間也不會(huì)消失。

最終推論

當(dāng)您比較 RAM 和 ROM 時(shí)，很容易看出兩者都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。 您必須在筆記本上同時(shí)安裝這兩個(gè)軟件，才能保證筆記本的高效運(yùn)行。

ROM 之所以脫穎而出，是因?yàn)樗鼈儍r(jià)格實(shí)惠，可為您提供永久的數(shù)據(jù)解決方案，但它們也限制您更改數(shù)據(jù)的能力和修改的次數(shù)。

RAM 成本更高，但它也使您可以靈活地多次修改數(shù)據(jù)，而對(duì)這些修改沒有任何限制。 這里的缺點(diǎn)是，如果您的 RAM 之前已斷開電源，您可能會(huì)丟失此信息。

正確的解決方案是將兩者結(jié)合起來(lái)，以滿足您的處理需求和預(yù)算。

RAM和ROM在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

FPGA內(nèi)部有豐富的存儲(chǔ)資源。 在 FPGA 中實(shí)現(xiàn) RAM 和 ROM 有多種形式。 一般我們會(huì)采用IP核的方式來(lái)使用FPGA的存儲(chǔ)資源：

FPGA的底層資源中，BRAM（）位于其中，如右圖，BRAM在中的分布：

如上圖所示，所有箭頭所在的列都是FPGA中的BRAM資源。 可見有很多。 具體量化需要根據(jù)不同型號(hào)的FPGA，BRAM資源也不同。

事實(shí)上，在FPGA中，如果需要使用RAM，則不必使用BRAM。 也就是說(shuō)，BRAM適合較大的存儲(chǔ)場(chǎng)合。 至少對(duì)于普通使用來(lái)說(shuō)，還可以使用RAM，即分布式RAM。 使用FPGA內(nèi)的LUT資源等進(jìn)行配置。

事實(shí)上，情況不一定如此。 有時(shí)需要考慮資源平衡。 例如FPGA中的LUT和寄存器資源比較緊張，而BRAM資源幾乎使用得很少。 這個(gè)時(shí)候就應(yīng)該考慮資源分配了。 BRAM資源怎么樣？ 多了，沒用，也沒用。

在定制IP核之前，可以選擇使用BRAM或RAM：

事實(shí)上，F(xiàn)PGA中的資源還可以靈活配置為各種類型的存儲(chǔ)，比如FIFO定制，使用的存儲(chǔ)資源可以是BRAM：

事實(shí)上，你有選擇的自由，RAM還可以實(shí)現(xiàn)：

至于ROM，也不例外。 FPGA中沒有專門的ROM，但ROM可以使用bram或分布式RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)：

ROM的內(nèi)容可以通過COE文件加載：

不過不用害怕，即使是用RAM實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA上電后，ROM內(nèi)容依然完好，不會(huì)因?yàn)閿嚯姸鴣G失，這也符合ROM的內(nèi)涵。

事實(shí)上，ROM和RAM的實(shí)現(xiàn)不僅可以使用IP核方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，還可以使用RTL代碼來(lái)描述，并且像之前的FIFO一樣，我們的設(shè)計(jì)只是了解其工作原理，以及實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用一般不使用，但可以作為替代。 原因是FPGA場(chǎng)景提供的IP已經(jīng)經(jīng)過大量驗(yàn)證，越來(lái)越穩(wěn)定，功能也很多，這樣開發(fā)效率就可以提高。

嗯，本文的重點(diǎn)是描述，而不是設(shè)計(jì)。 關(guān)于設(shè)計(jì)，請(qǐng)參閱我們之前的文章。

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