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摘要
高层次综合(High-Level Synthesis, HLS)是一种基于高层次描述语言的、自动生成硬件电路的设计方法，目前正逐渐成为现代芯片设计中的重要组成部分。在此过程中，存储器是其中极为关键的部分。存储器架构必须设计得高效并符合需求，以确保电路的性能。
本文将对高层次综合中的存储器划分进行详细的介绍。首先，文章介绍了存储器的种类，包括寄存器文件、随机存储器、只读存储器、块随机存储器和估算存储器等。然后，文章分析了不同类型存储器的优缺点，并深入探讨了存储器划分的基本原则。最后，文章总结了存储器划分的重要性及其影响因素，为读者提供了一份高质量的综合设计指南。
1. 引言
高层次综合是当今芯片设计的关键技术之一，它通过使用高层次开发语言来描述电路的行为，自动化地生成低级别的硬件代码。高层次综合工具可以自动地生成芯片的控制逻辑、数据通路等部分。其中，存储器是电路设计的核心部分之一，其在电路的功耗、性能等方面起着决定性的作用。如何对这些存储器进行划分和优化，成为了一个十分重要的问题。
2. 存储器种类
存储器广泛应用于计算机和通信系统中。在高层次综合中，常见的存储器种类包括寄存器文件、随机存储器、只读存储器、块随机存储器和估算存储器等。
寄存器文件
寄存器文件是一种用于暂存中间结果的存储器组件。通常情况下，收集和存储来自数据通路的信息，并在一些基本算术和逻辑操作之间传递数据。寄存器文件的引入能够极大地提高电路的性能，但也可能导致设计复杂度的增加。寄存器文件具有高速度、低功耗、易于调试等特点。
随机存储器
在芯片设计中，随机存储器(Random Access Memory, RAM)被广泛应用于暂存计算数据和指令信息。随机存储器适用于对数据进行随机访问的场合。它的读写速度较快、容量较大。
只读存储器
只读存储器(Read-Only Memory, ROM)类似于随机存储器，但它通常用于存储不可改变的、仅供读取的信息，例如程序、常量和数据表等。只读存储器的读取电路通常比随机存储器简单。
块随机存储器
块随机存储器(Block RAM, BRAM)通常用于需要较大容量的读取和写入数据的场合。相对于随机存储器，它的读写速度可能慢一些，但是存储容量和效率更高。块随机存储器通常用于像数字信号处理等宽带通道领域进行高效数据存储和计算。
估算存储器
估算存储器(Estimation Memory, EM)是一种特殊的存储器，通常用于存储需要进行快速计算和定位的数据。它的读写速度非常快，可以大大提高电路的性能。估算存储器的缺点是往往需要专门的电路支持来进行计算。
3. 存储器划分的优缺点
在进行高层次综合时，必须考虑存储器的规模、带宽和延迟。针对不同的存储器种类进行存储器划分，具有以下几个优缺点。
优点
存储器划分可以使电路的性能得到最大化。高效的存储器划分可以通过在计算阶段和数据传递时最小化内存状态和带宽延迟，从而提高系统的整体性能。此外，存储器划分还可以显著降低功耗、增加可靠性及简化设计。
缺点
存储器划分会增加逻辑的复杂度，并且其使用方式也会带来延迟和开销等方面的额外成本。如果存储器分配不当，可能会导致电路的性能下降、功耗增加和延迟增加等问题。
4. 存储器划分的原则
在进行存储器划分时，需要遵守以下原则。
尽可能重用存储器
存储器重用是指寻找初始被单个过程使用且用途完成后被丢弃的标量，该标量可以重复使用存储器中已有的过程输出。 通过此方法，可以最小化存储器资源的使用，减小电路面积和功耗，提高性能。
尽量在局部存储器分配数据
局部性派生自计算机系统中，指的是CPU读写数据时的一种工作方式。在高层次综合过程中，局部性与寄存器重用的思路类似，即尽量在内存区域（如寄存器、缓存或存储器部件）中重复使用数据。如果可以通过调整算法和数据结构，将数据划分为局部和全局数据，可以将局部数据尽可能地保存在局部存储器中，减少内存访问次数。
使用低功耗存储器
在高层次综合中，减少功耗是非常重要的考虑因素之一。使用低功耗存储器可以降低总功耗。
尽量使用引用式存储器
引用式存储器是一种专门为存储指向另一个存储区域的指针而设计的存储器。使用引用式存储器可以有效地减少存储器占用资源的开销，以及存储器读写的时延，提高电路效率。
5. 存储器划分的影响因素
在进行存储器划分时，需要考虑到不同的影响因素。
存储器容量
存储器容量是指存储器可以保存的数据总量。存储器容量越大，可以存储的数据也就越多，但是在实际的电路设计中，需要注意控制内存占用。
时序
由于存储器访问的时序、数据传输速度等方面的问题，这些特性需要在存储器划分时考虑。可以根据时序性质的特点，对存储器采用不同的访问方式，以得到最佳的存储器性能。
存储器规模
存储器规模和存储器容量类似，也是影响存储器划分的因素之一。存储器规模越大，存储器的性能和效率就越高。
6. 结论
存储器是高层次综合中不可缺少的组成部分。在综合设计过程中，考虑存储器的划分、容量、时序等因素是至关重要的。存储器的优化能够提高电路性能，但不当的划分会对电路的性能产生负面影响。因此，应该根据不同的存储器种类及其应用场景，采用合理的方案来实现存储器的划分和优化。