Xilinx FPGA中为什么有了BRAM还需要SliceM

本篇主要讨论Xilinx FPGA中为什么有了BRAM还需要SliceM

BRAM和Slicem虽然都能存储数据，但它们在结构、特性、适用场景上有着本质的区别，互为补充而非替代。

本质定位不同：

BRAM： 是专用的大容量、高性能、可配置的存储器块。它是FPGA中独立的、较大的硬件模块，专门为存储大量数据而优化设计。通常容量在几Kb到几十Kb不等（例如18Kb或36Kb）。

Slicem： 是可配置逻辑块中的基本逻辑单元。它属于CLB的一部分，其核心是一个查找表。LUT本身是实现组合逻辑的，但通过特定的配置方式（利用其输入端口和内部结构），它可以被“借用”来实现小容量的分布式RAM或移位寄存器。它是逻辑资源的一部分。

容量与粒度：

BRAM： 容量大，但粒度粗。即使你只需要存储几十个比特的数据，你也得占用一整块（或半块）BRAM资源。这对于小存储需求来说极其浪费资源。

Slicem： 容量小，但粒度细。一个LUT（在7系列及以后通常是6输入LUT）最多能实现 64x1位 的RAM或 32x1位 的移位寄存器。你可以非常精细地使用一个或几个LUT来实现你需要的小容量存储，资源利用率高。非常适合寄存器组、小型FIFO、状态机状态寄存器、系数存储、数据路径上的小缓存等。

访问性能与灵活性：

BRAM： 具有固定的访问时序（通常有1-2个周期的读延迟）。访问端口数量有限（通常是双端口），宽度可配置但受块本身限制。时序相对固定。

Slicem (分布式RAM)： 超低延迟/零等待访问： 当配置为分布式RAM时（尤其是同步读模式），读取数据可以几乎没有延迟（在同一个时钟周期内输出），因为它本质上是通过组合逻辑（LUT）实现的。这对于需要立即使用数据的路径（如状态机、紧耦合的数据处理）至关重要。 真正的多端口访问： 你可以通过使用多个LUT（或配置LUT为双端口模式，但容量会减半）来实现理论上任意数量的读写端口（受限于逻辑资源）。而BRAM通常是双端口（最多两个独立访问）。 更灵活的位宽： 更容易实现不规则的位宽组合（例如，一个3位宽、一个5位宽的小存储器），只需要组合不同LUT的输出即可。BRAM的位宽配置受其物理结构限制。

实现功能多样性：

BRAM： 核心功能就是存储（支持单端口、简单双端口、真正双端口RAM，以及ROM）。

Slicem： 核心是LUT，它本质上是可编程的逻辑单元： 可以配置为实现任意组合逻辑函数（主要功能）。 可以配置为分布式RAM（各种深度和宽度组合，单/双端口）。 可以配置为移位寄存器。 其输出寄存器可以单独用作触发器。 其进位逻辑可以用于快速算术运算。 这种多功能性是Slicem存在的根本原因。分布式RAM/移位寄存器只是它众多功能模式中的两种。

布局布线与资源利用：

BRAM： 在FPGA芯片上是离散分布的固定位置块。如果设计中使用了很多BRAM，数据需要在逻辑资源和BRAM块之间传输，可能导致较长的布线延迟和拥塞。

Slicem (分布式RAM)： 分散在CLB阵列中，与实现周边逻辑的CLB紧密相邻。将小存储器直接放在使用它的逻辑旁边，可以显著减少布线延迟，提高性能，并优化布局。这被称为“分布式”存储的原因。

功耗：

对于非常小的存储需求，使用几个LUT实现的分布式RAM通常比启动一整块大得多的BRAM功耗更低。BRAM即使只使用一小部分，其基础功耗也可能高于几个LUT的功耗。

类比：

想象一个工具箱： BRAM 就像一个大号的、专用的储物柜。适合存放大量、规则的工具或材料。但用它来放几颗小螺丝钉就太浪费空间了，而且每次拿螺丝钉都得开一次大柜门（访问延迟）。

Slicem (LUT as Distributed RAM) 就像工具箱面板上的小格子或小口袋。它们就在你手边，伸手就能拿到里面的小零件（零延迟）。你可以灵活地安排这些小格子放不同的零星小件（细粒度），非常适合存放你当前正在频繁使用的小工具（紧耦合逻辑）。这些小格子本身也是工具箱工作面板的一部分（属于CLB），必要时可以腾出来做其他工作（实现逻辑）。

因此，BRAM和Slicem提供的分布式存储是FPGA中互补的两种存储资源。设计者需要根据存储容量、访问速度要求、端口数量、位宽、功耗以及布局布线等因素，选择合适的资源类型。Slicem对于实现高效、灵活、高性能的数字系统设计是不可或缺的。