如何使用FPGA內部的RAM以及程序對該RAM的數據讀寫操作

作者： ALINX

適用于板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實驗Vivado工程為“ram_test”。

RAM是FPGA中常用的基礎模塊，可廣泛用于緩存數據的情況，同樣它也是ROM，FIFO的基礎。本實驗將為大家介紹如何使用FPGA內部的RAM以及程序對該RAM的數據讀寫操作。

1.實驗原理

Xilinx在VIVADO里為我們已經提供了RAM的IP核， 我們只需通過IP核例化一個RAM，根據RAM的讀寫時序來寫入和讀取RAM中存儲的數據。實驗中會通過VIVADO集成的在線邏輯分析儀ila，我們可以觀察RAM的讀寫時序和從RAM中讀取的數據。

2.創建Vivado工程

在添加RAM IP之前先新建一個ram_test的工程， 然后在工程中添加RAM IP，方法如下：

2.1 點擊下圖中IP Catalog，在右側彈出的界面中搜索ram，找到Block Memory Generator，雙擊打開。

2.2 將Component Name改為ram_ip，在Basic欄目下，將Memory Type改為Simple Dual Prot RAM，也就是偽雙口RAM。一般來講“Simple Dual Port RAM”是最常用的，因為它是兩個端口，輸入和輸出信號獨立。

2.3 切換到Port A Options欄目下，將RAM位寬Port A Width改為16，也就是數據寬度。將RAM深度Port A Depth改為512，深度指的是RAM里可以存放多少個數據。使能管腳Enable Port Type改為Always Enable。

2.4 切換到Port B Options欄目下，將RAM位寬Port B Width改為16，使能管腳Enable Port Type改為Always Enable，當然也可以Use ENB Pin，相當于讀使能信號。而Primitives Output Register取消勾選，其功能是在輸出數據加上寄存器，可以有效改善時序，但讀出的數據會落后地址兩個周期。很多情況下，不使能這項功能，保持數據落后地址一個周期。

2.5 在Other Options欄目中，這里不像ROM那樣需要初始化RAM的數據，我們可以在程序中寫入，所以配置默認即可，直接點擊OK。

2.6 點擊“Generate”生成RAM IP。

3. RAM的端口定義和時序

Simple Dual Port RAM 模塊端口的說明如下：

RAM的數據寫入和讀出都是按時鐘的上升沿操作的，端口A數據寫入的時候需要置高wea信號，同時提供地址和要寫入的數據。下圖為輸入寫入到RAM的時序圖。

而端口B是不能寫入數據的，只能從RAM中讀出數據，只要提供地址就可以了，一般情況下可以在下一個周期采集到有效的數據。

RAM讀時序

4. 測試程序編寫

下面進行RAM的測試程序的編寫，由于測試RAM的功能，我們向RAM的端口A寫入一串連續的數據，只寫一次，并從端口B中讀出，使用邏輯分析儀查看數據。代碼如下

`timescale1ns/1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module ram_test（ input clk， //25MHz時鐘 input rst_n //復位信號，低電平有效 ）; //----------------------------------------------------------- reg ［8:0］ w_addr; //RAM PORTA寫地址 reg ［15:0］ w_data; //RAM PORTA寫數據 reg wea; //RAM PORTA使能 reg ［8:0］ r_addr; //RAM PORTB讀地址 wire ［15:0］ r_data; //RAM PORTB讀數據 //產生RAM PORTB讀地址 always@（posedge clk ornegedge rst_n） begin if（！rst_n） r_addr 《=9‘d0; elseif（|w_addr） //w_addr位或，不等于0 r_addr 《= r_addr+1’b1; else r_addr 《=9‘d0; end //產生RAM PORTA寫使能信號 always@（posedge clk ornegedge rst_n） begin if（！rst_n） wea 《=#11’b0; else begin if（&w_addr）//w_addr的bit位全為1，共寫入512個數據，寫入完成 wea 《=#11‘b0; else wea 《=#11’b1;//ram寫使能 end end //產生RAM PORTA寫入的地址及數據 always@（posedge clk ornegedge rst_n） begin if（！rst_n） begin w_addr 《=9‘d0; w_data 《=16’d1; end else begin if（wea） //ram寫使能有效 begin if（&w_addr）//w_addr的bit位全為1，共寫入512個數據，寫入完成 begin w_addr 《= w_addr ;//將地址和數據的值保持住，只寫一次RAM w_data 《= w_data ; end else begin w_addr 《= w_addr +1‘b1; w_data 《= w_data +1’b1; end end end end //----------------------------------------------------------- //實例化RAM ram_ip ram_ip_inst （ .clka （clk ），// input clka .wea （wea ），// input ［0 ： 0］ wea .addra （w_addr ），// input ［8 ： 0］ addra .dina （w_data ），// input ［15 ： 0］ dina .clkb （clk ），// input clkb .addrb （r_addr ），// input ［8 ： 0］ addrb .doutb （r_data ）// output ［15 ： 0］ doutb ）; //實例化ila邏輯分析儀 ila_0 ila_0_inst （ .clk （clk ）， .probe0 （r_data ）， .probe1 （r_addr ） ）; endmodule

為了能實時看到RAM中讀取的數據值，我們這里添加了ila工具來觀察RAM PORTB的數據信號和地址信號。關于如何生成ila大家請參考”PL的”Hello World”LED實驗”。

程序結構如下：

綁定引腳

##################Compress Bitstream############################

set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE ［current_design］set_property PACKAGE_PIN AB11 ［get_ports clk］set_property IOSTANDARD LVCMOS33 ［get_ports clk］create_clock -period 40.000 -name clk -waveform {0.000 20.000} ［get_ports clk］set_property PACKAGE_PIN AA13 ［get_ports rst_n］set_property IOSTANDARD LVCMOS33 ［get_ports rst_n］

5. 仿真

仿真方法參考”PL的”Hello World”LED實驗”，仿真結果如下，從圖中可以看出地址1寫入的數據是0002，在下個周期，也就是時刻2，有效數據讀出。

6. 板上驗證

生成bitstream，并下載bit文件到FPGA。接下來我們通過ila來觀察一下從RAM中讀出的數據是否為我們初始化的數據。

在Waveform的窗口設置r_addr地址為0作為觸發條件，我們可以看到r_addr在不斷的從0累加到1ff， 隨著r_addr的變化， r_data也在變化， r_data的數據正是我們寫入到RAM中的512個數據，這里需要注意，r_addr出現新地址時，r_data對應的數據要延時兩個時鐘周期才會出現，數據比地址出現晚兩個時鐘周期，與仿真結果一致。

審核編輯：何安