【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第六章 FPGA片內RAM讀寫測試實驗

作者： ALINX
* 本原創(chuàng)教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創(chuàng)作，版權歸本公司所有，如需轉載，需授權并注明出處。

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(shù)據(jù)的情況，同樣它也是ROM，F(xiàn)IFO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(shù)據(jù)讀寫操作。

1.實驗原理
Xilinx在VIVADO里為我們已經(jīng)提供了RAM的IP核, 我們只需通過IP核例化一個RAM，根據(jù)RAM的讀寫時序來寫入和讀取RAM中存儲的數(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)。

2.創(chuàng)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(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(shù)據(jù)加上寄存器，可以有效改善時序，但讀出的數(shù)據(jù)會落后地址兩個周期。很多情況下，不使能這項功能，保持數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)寫入和讀出都是按時鐘的上升沿操作的，端口A數(shù)據(jù)寫入的時候需要置高wea信號，同時提供地址和要寫入的數(shù)據(jù)。下圖為輸入寫入到RAM的時序圖。

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周期采集到有效的數(shù)據(jù)。

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(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(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(shù)據(jù)，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(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(shù)據(jù)值，我們這里添加了ila工具來觀察RAM PORTB的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是0002，在下個周期，也就是時刻2，有效數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是否為我們初始化的數(shù)據(jù)。

在Waveform的窗口設置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個數(shù)據(jù)，這里需要注意，r_addr出現(xiàn)新地址時，r_data對應的數(shù)據(jù)要延時兩個時鐘周期才會出現(xiàn)，數(shù)據(jù)比地址出現(xiàn)晚兩個時鐘周期，與仿真結果一致。