RAM存储器详解：分类、特性及应用

RAM存储器详解：分类、特性及应用

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/fantasygwh2015/article/details/130992714

RAM（随机存取存储器）是计算机系统中重要的存储组件，广泛应用于各种硬件设计中。本文将详细介绍RAM的分类、特性以及在逻辑设计中的应用，包括单端口RAM、伪双端口RAM和真双端口RAM的特点和使用场景，并通过具体的实例和代码解释了RAM读写冲突的处理方法。

RAM存储器概述

RAM是存储器分类的一个分支，属于静态存储器，RAM是逻辑设计中非常重要的一个特性。RAM一般包括单端口RAM（Single Port RAM）、双端口RAM设计（Two Port RAM）和真双端口RAM设计（Dual Port RAM）。

半导体存储器包括随机存储器和只读存储器。随机存储器RAM也包括静态RAM和动态RAM，其中动态RAM包括SDRAM、DDR SDRAM、DDR2 SDRAM、DDR3 SDRAM以及DDR4 SDRAM等。DDR SDRAM是目前非常流行也比较复杂的存储器，特点是容量非常大，速度也很高，掉电数据丢失。DDR SDRAM一般是单独的存储芯片。

静态RAM一般包括单端口RAM（Single Port RAM，缩写SP RAM，只有一个读写口，同一个时刻只能发起读或写），双端口RAM设计（Two Port RAM，缩写TP RAM，也叫伪双口，一个端口只能读，一个端口只能写），真双端口RAM设计（Dual Port RAM，缩写DP RAM，每个端口都可以进行读或者写操作）。特点是容量相对不是很大，速度非常高，掉电数据丢失。静态RAM在FPGA或者ASIC设计中都是非常重要的一个器件，可以说寄存器、组合逻辑和静态RAM构成了整个数字电路体系，足见静态RAM的重要性。

只读存储器包括PROM、EPROM、EEPROM等，目前EEPROM用的相对比较多，特点是容量相对较小，存储的一般是不易丢失的信息，比如网口或者USB 2.0芯片一般会配有一个EEPROM存储相关的固件信息。

几种RAM的特性和区别：

• 选择RAM时主要根据功能需求和带宽需求来选择，最合适的就是最好的。
• 如果需要读一个配置，这个配置只在上电的时候CPU配置一下就好了，其他的时候不需要写操作，那么直接选择单口RAM即可，只需要一个端口即可，要么是写操作，要么是读操作。
• 如果需要使用FIFO（先进先出存储器）来存储数据，就可以选择伪双口RAM即可，一个写口，一个读口，且读和写可以同时发生。
• 如果要实现一个对10000个车厢进行人数计数的功能，车厢有两个门，一个门只上车，一个门只下车，上车时候需要再原有人数基础上加一，下车时候需要在原有人数基础上减一，每个时刻都可能有人上车和下车，那么要使用逻辑统计这么多车厢的人数时，就需要有两个写端口的RAM，深度为10000，这个就需要使用真双端口RAM。因为如果使用寄存器资源进行统计，仅这个10000个车厢的计数就可能把FPGA寄存器资源耗尽。

RAM和FIFO的区别：

1. RAM是指有地址线、数据线和使能的存储单元，可以通过地址对任意地址进行读写访问。FIFO也是一个端口只读，另一个端口只写。FIFO与伪双口RAM的区别在于，FIFO为先入先出，没有地址线，不能对存储单元寻址；而伪双口RAM两个端口都有地址线，可以对存储单元寻址；
2. 使用场景不一样，FIFO一般放在传输带宽不一致的地方，用来吸收流量突发，而RAM一般用在需要根据地址进行写或者读的地方，比如存储一些配置信息。

单口RAM

单端口RAM指的是只有一个读写口，就是只有一组数据线和地址线，就是读和写都是通过这个口来访问RAM，但是同一个时刻只能访问一个，要么是读，要么是写。下图是一个Intel的单端口RAM模型。

Intel单端口RAM一般由如下信号构成：

• RAM还有一个重要的特性是RAM读延迟，就是RAM发起读，然后读数据有效的周期数。这个延迟一般是1，如果RAM输出再因为改善时序寄存一拍，那么RAM的读延迟就是2。如下所示，在读使能为1且地址有效的情况下（WEA为0 ENA为1），下一拍DOUTA即为读到的数据，一般来说，读使能和读地址不发生变化，DOUTA不会发生变化。

另外RAM读数据只使用RAM读有效时的读数据，没有发起读的时候，读数据一般不建议使用，因此此时的读数据依赖于RAM模型的特性，有可能是不确定的值。

伪双端口RAM

伪双端口RAM指的是有两个读写端口，但是一个端口只能读，一个端口只能写，伪双端口RAM一般叫TP RAM。一般FIFO内部例化的都是伪双端口RAM。

伪双端口RAM指的是有两个读写口，就是有两组数据线和地址线，一组是写数据线，一组是读数据线，同一个时刻写和读可以同时访问。下图是一个Intel的伪双端口RAM模型。

Intel伪双端口RAM一般由如下信号构成：

• RAM读延迟，就是RAM发起读，然后读数据有效的周期数。这个延迟一般是1，如果RAM输出再因为改善时序寄存一拍，那么RAM的读延迟就是2。如下所示，在读使能为1且地址有效的情况下（ENB为1），下一拍DOUTB即为读到的数据，一般来说，读使能和读地址不发生变化，DOUTB不会发生变化。

另外RAM读数据建议只使用RAM读有效时的读数据，没有发起读的时候，读数据一般不建议使用，因此此时的读数据依赖于RAM模型的特性，有可能是不确定的值。（与单端口RAM一致）

TP RAM有一个问题，就是读和写有两个端口，两个端口可以同时发起读和写，那么如果读和写同时有效且读和写是同一个地址时，此时读数据是否还是正确的数据呢，这个情况属于RAM读写冲突，属于逻辑设计中非常重要的一个特性处理。

一般设计中发起读写冲突，此时的读数据很可能是无效的读数据，因此一般读写冲突时候，会把最新的写数据直接赋给读数据，此时叫做写穿通到读。如下图所示：

从图中我们可以看出，Cycle 2读和写地址不同，读可以正常读到数据，但是到Cycle 3时，读和写地址相同且读写都有效，此处如果不做特殊处理，那么读数据是无效的。需要我们把写数据寄存一拍同步到读侧。

Verilog一般这样处理：先产生一个冲突信号，使用时序逻辑产生，读写冲突的下一拍有效，然后使用这个信号做判断，如果这个信号有效，则dout直接使用din_dly1（写数据寄存一拍的数据）赋值，否则使用q信号。

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin 
 if (rst_n == 1'b0) 
 conflict <= 1'b0 ; 
 else if ( wen && ren && (waddr == raddr )) 
 conflict <= 1'b1 ; 
 else 
 conflict <= 1'b0 ; 
 end 
 
 assign dout = conflict ? din_dly1 : q ;

真双端口RAM

下面我们来看下真双端口RAM。真双端口RAM指的是有两个独立的读写口，就是有两组数据线和地址线，一组是读或者写数据线，另外一组也是读或者写数据线，同一个时刻两个端口可以同时访问，两个端口可以是读和读，也可以是写和读，还可以是写和写。下图是一个Xilinx的真双端口RAM模型，Intel的真双端口RAM模型也是类似的，实际上ASIC中的真双端口RAM也是类似的。

真双端口RAM一般由如下信号构成：

DP RAM的读写冲突问题比TP RAM要复杂很多。为什么会复杂很多呢？这个是因为DP RAM的端口数比较多，所以冲突处理也比较复杂，不像TP RAM只有读和写冲突。如下表列出冲突组合情况：

其中端口A和B的读写冲突和TP RAM的情况完全相同，只不过有端口A和端口B发生读和写冲突和端口A和端口B发生写和读冲突两种情况，哪种情况处理都是需要把最新的写数据寄存一拍赋值给读数据，此处不再赘述。

DP RAM引入了一个写和写冲突，我们先来看下什么是写写冲突，写写冲突表示两个端口写写使能同时有效且写和写地址相同。

写写冲突发生时候，逻辑需要关断一个写，把两个写端口都需要更新的值处理到一个写端口上面。因为任何的DP RAM都不支持写和写冲突，如果发生了，那么最终的写数据就是不确定的值。

举个例子：有一个DP RAM A口为入向功能累加更新，假设每次累加2个，B口为出向功能递减更新，假设每次递减1个，那么正常情况下，每次都是A口读出之前的值，再加个2，然后回写回去。B口读出之前的值，再减个1，然后回写回去。但是当A和B发生写写冲突的时候，此时逻辑需要关断一个写，关断A口还是B口都是可以的，但是更新的值需要是处理后的值，处理后的值也就是先加2再减1，就是一个端口加1就可以了，另外一个端口不用回写。写写冲突发生的情况，如下图所示：

可以看出Cycle 3周期两个端口写写使能同时有效且写和写地址相同，发生写写冲突，此时逻辑需要做特殊处理，也就是把两个写端口都需要更新的值处理到一个写端口上面。如下图所示：

从图中我们可以看出，Cycle 2写和写地址不同，两个写端口不用特殊处理。Cycle 3时把两个写端口都需要更新的值处理到一个写端口上面，值更新A端口，B端口关断。