如何使用FPGA內(nèi)部的RAM以及程序?qū)υ揜AM的數(shù)據(jù)讀寫操作

作者： ALINX

適用于板卡型號(hào)：

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

實(shí)驗(yàn)Vivado工程為“ram_test”。

RAM是FPGA中常用的基礎(chǔ)模塊，可廣泛用于緩存數(shù)據(jù)的情況，同樣它也是ROM，F(xiàn)IFO的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)將為大家介紹如何使用FPGA內(nèi)部的RAM以及程序?qū)υ揜AM的數(shù)據(jù)讀寫操作。

1.實(shí)驗(yàn)原理

Xilinx在VIVADO里為我們已經(jīng)提供了RAM的IP核， 我們只需通過(guò)IP核例化一個(gè)RAM，根據(jù)RAM的讀寫時(shí)序來(lái)寫入和讀取RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中會(huì)通過(guò)VIVADO集成的在線邏輯分析儀ila，我們可以觀察RAM的讀寫時(shí)序和從RAM中讀取的數(shù)據(jù)。

2.創(chuàng)建Vivado工程

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

2.1 點(diǎn)擊下圖中IP Catalog，在右側(cè)彈出的界面中搜索ram，找到Block Memory Generator，雙擊打開(kāi)。

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(lái)講“Simple Dual Port RAM”是最常用的，因?yàn)樗莾蓚€(gè)端口，輸入和輸出信號(hào)獨(dú)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(shù)據(jù)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(gè)數(shù)據(jù)。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(dāng)然也可以Use ENB Pin，相當(dāng)于讀使能信號(hào)。而Primitives Output Register取消勾選，其功能是在輸出數(shù)據(jù)加上寄存器，可以有效改善時(shí)序，但讀出的數(shù)據(jù)會(huì)落后地址兩個(gè)周期。很多情況下，不使能這項(xiàng)功能，保持?jǐn)?shù)據(jù)落后地址一個(gè)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(shù)據(jù)，我們可以在程序中寫入，所以配置默認(rèn)即可，直接點(diǎn)擊OK。

2.6 點(diǎn)擊“Generate”生成RAM IP。

3. RAM的端口定義和時(shí)序

Simple Dual Port RAM 模塊端口的說(shuō)明如下：

RAM的數(shù)據(jù)寫入和讀出都是按時(shí)鐘的上升沿操作的，端口A數(shù)據(jù)寫入的時(shí)候需要置高wea信號(hào)，同時(shí)提供地址和要寫入的數(shù)據(jù)。下圖為輸入寫入到RAM的時(shí)序圖。

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

RAM讀時(shí)序

4. 測(cè)試程序編寫

下面進(jìn)行RAM的測(cè)試程序的編寫，由于測(cè)試RAM的功能，我們向RAM的端口A寫入一串連續(xù)的數(shù)據(jù)，只寫一次，并從端口B中讀出，使用邏輯分析儀查看數(shù)據(jù)。代碼如下

`timescale1ns/1ps ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// module ram_test（ input clk， //25MHz時(shí)鐘 input rst_n //復(fù)位信號(hào)，低電平有效 ）; //----------------------------------------------------------- reg ［8:0］ w_addr; //RAM PORTA寫地址 reg ［15:0］ w_data; //RAM PORTA寫數(shù)據(jù) 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(shù)據(jù) //產(chǎn)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(chǎn)生RAM PORTA寫使能信號(hào) 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(gè)數(shù)據(jù)，寫入完成 wea 《=#11‘b0; else wea 《=#11’b1;//ram寫使能 end end //產(chǎn)生RAM PORTA寫入的地址及數(shù)據(jù) 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(gè)數(shù)據(jù)，寫入完成 begin w_addr 《= w_addr ;//將地址和數(shù)據(jù)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(shí)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(shí)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(shí)時(shí)看到RAM中讀取的數(shù)據(jù)值，我們這里添加了ila工具來(lái)觀察RAM PORTB的數(shù)據(jù)信號(hào)和地址信號(hào)。關(guān)于如何生成ila大家請(qǐng)參考”PL的”Hello World”LED實(shí)驗(yàn)”。

程序結(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)”，仿真結(jié)果如下，從圖中可以看出地址1寫入的數(shù)據(jù)是0002，在下個(gè)周期，也就是時(shí)刻2，有效數(shù)據(jù)讀出。

6. 板上驗(yàn)證

生成bitstream，并下載bit文件到FPGA。接下來(lái)我們通過(guò)ila來(lái)觀察一下從RAM中讀出的數(shù)據(jù)是否為我們初始化的數(shù)據(jù)。

在Waveform的窗口設(shè)置r_addr地址為0作為觸發(fā)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(shù)據(jù)正是我們寫入到RAM中的512個(gè)數(shù)據(jù)，這里需要注意，r_addr出現(xiàn)新地址時(shí)，r_data對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)要延時(shí)兩個(gè)時(shí)鐘周期才會(huì)出現(xiàn)，數(shù)據(jù)比地址出現(xiàn)晚兩個(gè)時(shí)鐘周期，與仿真結(jié)果一致。

審核編輯：何安