FPGA學(xué)習(xí)筆記：ROM IP核的使用方法

理論學(xué)習(xí)

上一篇介紹了常用的鎖相環(huán)IP，這一節(jié)將介紹一種較為常用的 存儲(chǔ)類IP核 ——ROM的使用方法。ROM是 只讀存儲(chǔ)器 （Read-Only Memory），顧名思義，我們只能讀出事先存放在固態(tài)中的數(shù)據(jù)，一旦寫入不能再修改或刪除，斷電不丟失。我們知道FPGA只有RAM，因此事實(shí)上在 FPGA 中通過(guò) IP 核生成的 ROM 或 RAM掉電內(nèi)容都會(huì)丟失。用 IP 核生成的 ROM 模塊只是提前添加了數(shù)據(jù)文件（.mif 或.hex 格式），在 FPGA 運(yùn)行時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)文件給 ROM 模塊初始化，才使得 ROM 模塊 像 “真正”的掉電非易失存儲(chǔ)器；也正是這個(gè)原因，ROM 模塊的內(nèi)容必須提前在數(shù)據(jù)文件中寫死，無(wú)法在電路中修改。

Altera推出的ROM IP核分為兩種類型：?jiǎn)?a target="_blank">端口ROM和雙端口ROM。對(duì)于單端口ROM提供一個(gè)讀地址端口和一個(gè)讀數(shù)據(jù)端口，只能進(jìn)行讀操作；雙端口ROM提供兩個(gè)讀地址端口和兩個(gè)讀數(shù)據(jù)端口。其中不是每個(gè)端口都要用到，調(diào)用完IP核后，是可以生成其例化模塊的，到時(shí)候就可以看到我們需要控制的信號(hào)了。

ROM IP核配置

ROM要事先寫進(jìn)去.mif 或.hex 格式，因此我們需要先建一個(gè).mif文件，寫入我們想要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

File→New→在Memory Files下找到Memory Initialization File-選擇容量為256，位寬為8bit→選中表格的行或列右鍵可以更改進(jìn)制，默認(rèn)地址是十進(jìn)制，存儲(chǔ)器是無(wú)符號(hào)十進(jìn)制→手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)/復(fù)制、粘貼/利用軟件自帶的功能，直接推譯出所有數(shù)據(jù)。

軟件自帶的填充功能用法

右鍵點(diǎn)擊任意單元格→Custom Fill Cells→容量為256，如果起始地址為0，結(jié)束地址就為255→可以看到表格中從0-255自動(dòng)填充好，由于位寬8bit，255也不會(huì)超→保存為.mif格式

創(chuàng)建好工程之后，還是和上一篇中一樣創(chuàng)建IP核，先試單端口

使用寫好的數(shù)據(jù)，瀏覽文件夾，選擇.mif格式，找到剛才保存的.mif文件導(dǎo)入。

和上一篇一樣，顯示了我們?cè)?a target="_blank">仿真ROM IP核時(shí)需要的Altera仿真庫(kù)，提示我們單獨(dú)使用第三方仿真工具時(shí)需要添加altera_mf的庫(kù)

和上一篇一樣，選擇inst.v實(shí)例化文件

雙端口有少許不同

1、可以看出有兩條地址線和兩條數(shù)據(jù)線了

2、設(shè)置定義ROM存儲(chǔ)器大小的方式，按字?jǐn)?shù)確定或按比特?cái)?shù)確定，用默認(rèn)就好

3、選擇ROM的容量，還是選擇256個(gè)數(shù)據(jù)（注意：選擇的容量需大于我們需要寫入的數(shù)據(jù)文件的數(shù)據(jù)量）

4、設(shè)置不同端口的位寬是否相同，默認(rèn)是關(guān)閉，即使用相同位寬

5、設(shè)置數(shù)據(jù)位寬，這里的數(shù)據(jù)位寬設(shè)置8bit

6、存儲(chǔ)單元類型的選擇，按默認(rèn)選擇自動(dòng)

1、選擇單時(shí)鐘/雙時(shí)鐘：?jiǎn)螘r(shí)鐘是用一個(gè)時(shí)鐘控制所有寄存器，雙時(shí)鐘是輸入和輸出時(shí)鐘分別控制存儲(chǔ)塊的數(shù)據(jù)輸入和輸出的相關(guān)寄存器：時(shí)鐘A控制端口A的所有寄存器，時(shí)鐘B控制端口B的所有寄存器。每個(gè)端口也支持獨(dú)立的時(shí)鐘使能

2、選擇是否創(chuàng)建‘rden_a’和‘rden_b’讀使能信號(hào)

1、選擇是否輸出‘q_a’和‘q_b’寄存器，選擇的話就會(huì)使輸出延遲一拍

2、選擇是否為時(shí)鐘信號(hào)創(chuàng)建使能信號(hào)

3、選擇是否創(chuàng)建“aclr”異步復(fù)位信號(hào)

后面的步驟都一樣。我們以單端口為例進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)用，還是將生成的,qip文件添加到Files下。

設(shè)計(jì)規(guī)劃

首先我們ROM的初始化數(shù)據(jù)是0~255，每隔0.2s從0地址開(kāi)始往下讀取數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，再利用兩個(gè)按鍵信號(hào)來(lái)讀取指定地址的數(shù)據(jù)（例如按下按鍵1顯示地址為99時(shí)的數(shù)據(jù)，按下按鍵2顯示地址為199時(shí)的數(shù)據(jù)，0-255隨意指定）。每按一個(gè)按鍵就讀取一個(gè)地址的數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上。再次按下按鍵后，以當(dāng)前地址繼續(xù)以0.2s的時(shí)間間隔往下讀取數(shù)據(jù)并顯示出來(lái)。

一共有5個(gè)模塊：按鍵消抖模塊（使用兩次），ROM控制模塊，IP核，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊，頂層模塊。實(shí)際需要做的是ROM控制模塊，頂層只是實(shí)現(xiàn)實(shí)例化，其他模塊可以直接調(diào)用以前的，可能要做一些修改。

剛才建立rom的ip后生成了inst.v實(shí)例化文件，由內(nèi)容可以看出這個(gè)模塊出輸入輸出信號(hào)名稱，頂層模塊中關(guān)于rom的ip模塊的實(shí)例化可以直接復(fù)制這個(gè)

編寫代碼

ROM 控制模塊

讀操作是在時(shí)鐘的上升沿觸發(fā)的，而我們?cè)谡{(diào)用ROM時(shí)是沒(méi)有生成讀使能的，所以在讀時(shí)鐘上升沿只要給相應(yīng)的地址就能在時(shí)鐘的上升沿讀出該地址內(nèi)的數(shù)據(jù)了。我們只需要控制生成讀地址即可?，F(xiàn)在自定義的ROM IP的用法就是給從地址線輸入一個(gè)地址，ROM模塊從數(shù)據(jù)線輸出地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。

輸入有時(shí)鐘、復(fù)位、兩個(gè)按鍵標(biāo)志信號(hào)，中間信號(hào)有兩個(gè)地址標(biāo)志信號(hào)，200ms計(jì)數(shù)器，輸出是8位地址。某一個(gè)按鍵按下時(shí)對(duì)應(yīng)的按鍵標(biāo)志信號(hào)會(huì)拉高，當(dāng)檢測(cè)到某一個(gè)按鍵標(biāo)志信號(hào)拉高時(shí)，對(duì)應(yīng)的地址標(biāo)志信號(hào)會(huì)拉高，直至下一個(gè)按鍵被按下。按一次按鍵是顯示規(guī)定地址存放的數(shù)據(jù)，再按同一個(gè)按鍵會(huì)在該地址基礎(chǔ)上繼續(xù)顯示下一個(gè)地址的數(shù)據(jù)，而按不同的按鍵就是顯示另一個(gè)按鍵規(guī)定的地址存放的數(shù)據(jù)。

module rom_ctrl
(
input wire sys_clk , //系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率50MHz
input wire sys_rst_n , //復(fù)位信號(hào)，低有效
input wire key1_flag , //按鍵1消抖后有效信號(hào)
input wire key2_flag , //按鍵2消抖后有效信號(hào)
output reg [7:0] addr //輸出讀ROM地址
 );


 //parameter define
 parameter CNT_MAX = 9_999_999; //0.2s計(jì)數(shù)器最大值


 //reg define
 reg addr_flag1 ; //特定地址1標(biāo)志信號(hào)
 reg addr_flag2 ; //特定地址2標(biāo)志信號(hào)
 reg [23:0] cnt_200ms ; //0.2s計(jì)數(shù)器


 //產(chǎn)生特定地址1標(biāo)志信號(hào)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 addr_flag1 <= 1'b0;
 else if(key2_flag == 1'b1)
 addr_flag1 <= 1'b0;
 else if(key1_flag == 1'b1)
 addr_flag1 <= ~addr_flag1;


 //產(chǎn)生特定地址2標(biāo)志信號(hào)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 addr_flag2 <= 1'b0;
 else if(key1_flag == 1'b1)
 addr_flag2 <= 1'b0;
 else if(key2_flag == 1'b1)
 addr_flag2 <= ~addr_flag2;


 //0.2s循環(huán)計(jì)數(shù)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_200ms <= 24'd0;
 else if(cnt_200ms == CNT_MAX)
 cnt_200ms <= 24'd0;
 else
 cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1;


 //讓地址從0~255循環(huán)，其中兩個(gè)按鍵控制兩個(gè)特定地址的跳轉(zhuǎn)
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 addr <= 8'd0;
 else if(addr == 8'd255 && cnt_200ms == CNT_MAX)
 addr <= 8'd0;
 else if(addr_flag1 == 1'b1)
 addr <= 8'd99;
 else if(addr_flag2 == 1'b1)
 addr <= 8'd199;
 else if(cnt_200ms == CNT_MAX)
 addr <= addr + 1'b1;


 endmodule

產(chǎn)生addr_flag1：復(fù)位有效時(shí)addr_flag歸0；key2_flag拉高時(shí)addr_flag1歸0（因?yàn)閗ey1與key2是互斥的，同一時(shí)間只能亮一個(gè)，所以不管key1現(xiàn)在是否按下去，key2一旦按下去就要以key2的地址為準(zhǔn)了）；key_flag1拉高時(shí)addr_flag1取反（因?yàn)榭赡艽嬖谶B按兩次的情況，第一次按addr_flag1從第變高，第二次按就從高變低）。產(chǎn)生addr_flag1同理

200ms計(jì)數(shù)器：復(fù)位有效時(shí)歸0；計(jì)數(shù)到最大值時(shí)歸0；否則自加1

地址輸出：復(fù)位有效時(shí)addr為0；當(dāng)addr為255且cnt200ms計(jì)數(shù)為最大值CNT_MAX時(shí)，addr為0（因?yàn)榈刂分赶?55后0.2ms要循環(huán)顯示地址0對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）；當(dāng)addr_flag1拉高時(shí)addr為99；當(dāng)addr_flag2拉高時(shí)addr為199；當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到最大值時(shí)addr自加1

頂層模塊

實(shí)質(zhì)是幾個(gè)模塊的實(shí)例化，需要注意的是key模塊使用了兩次，要實(shí)例化兩次，兩次實(shí)例化的模塊名字不能相同

之前的數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示的模塊框圖做一下修正

對(duì)比一下現(xiàn)在的模塊

1、之前的給數(shù)碼管模塊的輸入數(shù)據(jù)是data_gen這個(gè)模塊的輸出產(chǎn)生的，現(xiàn)在的data是rom的IP模塊產(chǎn)生的。且這個(gè)IP的輸出只有8位，而我們之前的設(shè)置的數(shù)碼管模塊data是27位，因此要補(bǔ)19個(gè)0能保證位數(shù)一致且對(duì)顯示沒(méi)有影響。還需要修改一處是top_seg_595模塊中實(shí)例化了data_gen，現(xiàn)在不需要了

2、之前的data_gen的輸出信號(hào)seg_en與seg_595_dynamic模塊的輸入信號(hào)seg_en相連，用于給數(shù)碼管顯示使能。現(xiàn)在的rom_256x8模塊的實(shí)例化是系統(tǒng)IP自動(dòng)生成的，沒(méi)有提供seg_en信號(hào)接口，需要自行設(shè)置這個(gè)信號(hào)為高電平讓他使能

頂層模塊代碼

module rom
(
input wire sys_clk , 
input wire sys_rst_n , 
input wire [1:0] key , 
output wire stcp , 
output wire shcp , 
output wire ds 
);


 //wire define
 wire [7:0] addr ; //地址線
 wire [7:0] rom_data ; //讀出ROM數(shù)據(jù)
 wire key1_flag ; //按鍵1消抖信號(hào)
 wire key2_flag ; //按鍵2消抖信號(hào)


 rom_ctrl rom_ctrl_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ),
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key1_flag (key1_flag ),
 .key2_flag (key2_flag ),
 .addr (addr )
 );


 key_filter key1_filter_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key_in (key[0] ), 
 .key_flag (key1_flag ) 
 );


 key_filter key2_filter_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key_in (key[1] ), 
 .key_flag (key2_flag ) 
 );


 seg_595_dynamic seg_595_dynamic_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .data ({19'd0,rom_data}), 
 .seg_en (1'b1 ), //數(shù)碼管使能信號(hào)，高電平有效
 .stcp (stcp ), //輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄時(shí)鐘
 .shcp (shcp ), //移位寄存器的時(shí)鐘輸入
 .ds (ds )//串行數(shù)據(jù)輸入
 );


 rom_256x8 rom_256x8_inst
 (
 .address (addr ),
 .clock (sys_clk ),
 .q (rom_data )
 );


 endmodule

rom_ctrl模塊的實(shí)例化沒(méi)有什么需要特別注意的

key_filter模塊需要注意的是這兩個(gè)模塊名不能一樣，模塊都用的是key_filter，實(shí)例化后一個(gè)叫key1_filter_inst，一個(gè)叫key2_filter_inst。rom頂層模塊中定義的Key是一個(gè)2位的變量，兩個(gè)模塊中的Key_in就分別接key的高位和低位

數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示模塊：這個(gè)模塊是第三次使用了，因?yàn)橹暗膁ata是27位，現(xiàn)在只用了data的其中8位，剩下19位置0

rom_256x8模塊的實(shí)例化就是rom的ip核生成的inst.v實(shí)例化文件

Testbench

`timescale 1ns/1ns
module tb_rom();


//wire define
wire stcp;
wire shcp;
wire ds ;
//reg define
reg sys_clk ;
reg sys_rst_n ;
reg [1:0] key ;


//對(duì)sys_clk,sys_rst賦初值，并模擬按鍵抖動(dòng)
initial
begin
sys_clk = 1'b1 ;
sys_rst_n <= 1'b0 ;
key <= 2'b11;
#200 sys_rst_n <= 1'b1 ;
//按下按鍵key[0]
#2000 key[0] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[0] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
//按下按鍵key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[1] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
//按下按鍵key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[1] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
//按下按鍵key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[1] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[1] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
//按下按鍵key[0]
#2000 key[0] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[0] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
//按下按鍵key[0]
#2000 key[0] <= 1'b0;//按下按鍵
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#200 key[0] <= 1'b1;//松開(kāi)按鍵
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b0;//模擬抖動(dòng)
#20 key[0] <= 1'b1;//模擬抖動(dòng)
end
//sys_clk:模擬系統(tǒng)時(shí)鐘，每10ns電平取反一次，周期為20ns，頻率為50MHz
always #10 sys_clk = ~sys_clk;


 //重新定義參數(shù)值，縮短仿真時(shí)間仿真
 defparam rom_inst.key1_filter_inst.CNT_MAX = 5 ;
 defparam rom_inst.key2_filter_inst.CNT_MAX = 5 ;
 defparam rom_inst.rom_ctrl_inst.CNT_MAX = 99;


 //---------------rom_inst--------------
 rom rom_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), //系統(tǒng)時(shí)鐘，頻率50MHz
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //復(fù)位信號(hào)，低電平有效
 .key (key ), //輸入按鍵信號(hào)
 .stcp (stcp ), //輸出數(shù)據(jù)存儲(chǔ)寄時(shí)鐘
 .shcp (shcp ), //移位寄存器的時(shí)鐘輸入
 .ds (ds ) //串行數(shù)據(jù)輸入
 );


 endmodule

初始化：時(shí)鐘為高電平，復(fù)位為低電平，按鍵都為高電平表示未按下

延遲200ns后復(fù)位釋放

延遲2000ns后按下按鍵1但是模擬抖動(dòng)，抖動(dòng)中有200ns的按鍵是按下?tīng)顟B(tài)以便識(shí)別并拉高flag

再重復(fù)模擬按下按鍵2，2，2，1，1

重新定義參數(shù)，縮短仿真時(shí)間

rom模塊實(shí)例化

波形變化

管腳分配