【正点原子FPGA连载】第十二章IP核之RAM实验-领航者ZYNQ之FPGA开发指南

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第十二章IP核之RAM实验

RAM的英文全称是Random Access Memory，即随机存取存储器，它可以随时把数据写入任一指定地址的存储单元，也可以随时从任一指定地址中读出数据，其读写速度是由时钟频率决定的。RAM主要用来存放程序及程序执行过程中产生的中间数据、运算结果等。本章我们将对Vivado软件生成的RAM IP核进行读写测试，并向大家介绍Xilinx RAM IP核的使用方法。
本章包括以下几个部分：
1212.1RAM IP核简介
12.2实验任务
12.3硬件设计
12.4程序设计
12.5下载验证
12.1RAM IP核简介
Xilinx 7系列器件具有嵌入式存储器结构，满足了设计对片上存储器的需求。嵌入式存储器结构由一列列BRAM（块RAM）存储器模块组成，通过对这些BRAM存储器模块进行配置，可以实现各种存储器的功能，例如：RAM、移位寄存器、ROM以及FIFO缓冲器。
Vivado软件自带了BMG IP核（Block Memory Generator，块RAM生成器），可以配置成RAM或者ROM。这两者的区别是RAM是一种随机存取存储器，不仅仅可以存储数据，同时支持对存储的数据进行修改；而ROM是一种只读存储器，也就是说，在正常工作时只能读出数据，而不能写入数据。需要注意的是，配置成RAM或者ROM使用的资源都是FPGA内部的BRAM，只不过配置成ROM时只用到了嵌入式BRAM的读数据端口。本章我们主要介绍通过BRAM IP核配置成RAM的使用方法。
Xilinx 7系列器件内部的BRAM全部是真双端口RAM（True Dual-Port ram，TDP），这两个端口都可以独立地对BRAM进行读/写。但也可以被配置成伪双端口RAM（Simple Dual-Port ram，SDP）（有两个端口，但是其中一个只能读，另一个只能写）或单端口RAM（只有一个端口，读/写只能通过这一个端口来进行）。单端口RAM只有一组数据总线、地址总线、时钟信号以及其他控制信号，而双端口RAM具有两组数据总线、地址总线、时钟信号以及其他控制信号。有关BRAM的更详细的介绍，请读者参阅Xilinx官方的手册文档“UG473，7 Series FPGAs Memory Resources User Guide”。
单端口RAM类型和双端口RAM类型在操作上都是一样的，我们只要学会了单端口RAM的使用，那么学习双端口RAM的读写操作也是非常容易的。本章我们以配置成单端口RAM为例进行讲解。
BMG IP核配置成单端口RAM的框图如下图所示。

图 12.1.1 单端口RAM框图

各个端口的功能描述如下：
DINA：RAM端口A写数据信号。
ADDRA：RAM端口A读写地址信号，对于单端口RAM来说，读地址和写地址共用同该地址线。
WEA：RAM端口A写使能信号，高电平表示向RAM中写入数据，低电平表示从RAM中读出数据。
ENA：端口A的使能信号，高电平表示使能端口A，低电平表示端口A被禁止，禁止后端口A上的读写操作都会变成无效。另外ENA信号是可选的，当取消该使能信号后，RAM会一直处于有效状态。
RSTA：RAM端口A复位信号，可配置成高电平或者低电平复位，该复位信号是一个可选信号。
REGCEA：RAM端口A输出寄存器使能信号，当REGCEA为高电平时，DOUTA保持最后一次输出的数据，REGCEA同样是一个可选信号。
CLKA：RAM端口A的时钟信号。
DOUTA：RAM端口A读出的数据。
12.2实验任务
本节实验任务是使用Xilinx BMG IP核，配置成一个单端口的RAM，然后对RAM进行读写操作，通过在Vivado自带的仿真器中观察波形是否正确，最后将设计下载到领航者Zynq开发板中，并使用ILA对其进行在线调试观察。
12.3硬件设计
本章实验只用到了输入的时钟信号和按键复位信号，没有用到其它硬件外设，各端口信号的管脚分配如下表所示：
表 12.3.1 IP核之RAM实验管脚分配

对应的XDC约束语句如下所示：

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]

12.4程序设计
首先在Vivado软件中创建一个名为ip_ram的工程，工程创建完成后，在Vivado软件的左侧“Flow Navigator”栏中单击“IP Catalog”，如下图所示。

图 12.4.1 点击“IP Catalog”

在“IP Catalog”窗口的搜索框中输入“Block Memory”，出现唯一匹配的“Block Memory Generator”，如下图所示（图中出现的两个IP核为同一个BMG IP核）。

图 12.4.2 搜索框中输入“Block Memory”

双击“Block Memory Generator”后弹出IP核的配置界面，接下来对BMG IP核进行配置，“Basic”选项页配置界面如下图所示。

图 12.4.3 “Basic”选项页配置

Component Name：设置该IP核的名称，这里保持默认即可。
Interface Type：RAM接口总线。这里保持默认，选择Native接口类型（标准RAM接口总线）；
Memory Type：存储器类型。可配置成Single Port RAM（单端口RAM）、Simple Dual Port RAM（伪双端口RAM）、True Dual Port RAM（真双端口RAM）、Single Port ROM（单端口ROM）和Dual Port ROM（双端口ROM），这里选择Single Port RAM，即配置成单端口RAM。
ECC Options：Error Correction Capability，纠错能力选项，单端口RAM不支持ECC。
Write Enable：字节写使能选项，勾中后可以单独将数据的某个字节写入RAM中，这里不使能。
Algorithm Options：算法选项。可选择Minimum Area（最小面积）、Low Power（低功耗）和Fixed Primitives（固定的原语），这里选择默认的Minimum Area。
接下来切换至“Port A”选项页，设置端口A的参数，该页面配置如下：

图 12.4.4 “Port A Options”选项页配置

Write Width：端口A写数据位宽，单位Bit，这里设置成8。
Read Width：端口A读数据位宽，一般和写数据位宽保持一致，设置成8。
Write Depth：写深度，这里设置成32，即RAM所能访问的地址范围为0-31。
Read Depth：读深度，默认和写深度保持一致。
Operating Mode：RAM读写操作模式。共分为三种模式，分别是Write First（写优先模式）、Read First（读优先模式）和No Change（不变模式）。写优先模式指数据先写入RAM中，然后在下一个时钟输出该数据；读优先模式指数据先写入RAM中，同时输出RAM中同地址的上一次数据；不变模式指读写分开操作，不能同时进行读写，这里选择No Change模式。
Enable Port Type：使能端口类型。Use ENA pin（添加使能端口A信号）；Always Enabled（取消使能信号，端口A一直处于使能状态），这里选择默认的Use ENA pin。
Port A Optional Output Register：端口A输出寄存器选项。其中“Primitives Output Register”默认是选中状态，作用是打开BRAM内部位于输出数据总线之后的输出流水线寄存器，虽然在一般设计中为了改善时序性能会保持此选项的默认勾选状态，但是这会使得BRAM输出的数据延迟一拍，这不利于我们在Vivado的ILA调试窗口中直观清晰地观察信号；而且在本实验中我们仅仅是把BRAM的数据输出总线连接到了ILA的探针端口上来进行观察，除此之外数据输出总线没有别的负载，不会带来难以满足的时序路径，因此这里取消勾选。
Port A Output Reset Options：RAM复位信号选项，这里不添加复位信号，保持默认即可。
另外，需要注意的是，下面的“Primitives Output Register”默认是选中状态的，此选项的作用是打开块RAM内部的位于输出数据总线之后的输出流水线寄存器，虽然在一般设计中为了改善时序性能会保持此选项的默认勾选状态，但是这会使得块RAM输出的数据延迟一拍，这不利于我们在Vivado的ILA调试窗口中直观清晰地观察信号；而且在本实验中我们仅仅是把块RAM的数据输出总线连接到了ILA的探针端口上来进行观察，除此之外数据输出总线没有别的负载，不会带来难以满足的时序路径。
接下来的“Other Options”选项页用于设置RAM的初始值等，本次实验不需要设置，直接保持默认即可。
最后一个是“Summary”选项页，该页面显示了存储器的类型，消耗的BRAM资源等，我们直接点击“OK”按钮完成BMG IP核的配置，如下图所示：

图 12.4.5 “Summary”选项页

接下来会弹出询问是否在工程目录下创建存放IP核的文件，我们点击“OK”按钮即可。
紧接着会弹出“Genarate Output Products”窗口，我们直接点击“Generate”，如下图所示。

图 12.4.6 “Genarate Output Products”窗口

之后我们就可以在“Design Run”窗口的“Out-of-Context Module Runs”一栏中出现了该IP核对应的run“blk_mem_gen_0_synth_1”，其综合过程独立于顶层设计的综合，所以在我们可以看到其正在综合，如下图所示。

图 12.4.10 “blk_mem_gen_0_synth_1”run

在其Out-of-Context综合的过程中，我们就可以进行RTL编码了。首先打开IP核的例化模板，在“Source”窗口中的“IP Sources”选项卡中，依次用鼠标单击展开“IP”-“blk_mem_gen_0”-“Instantitation Template”，我们可以看到“blk_mem_gen_0.veo”文件，它是由IP核自动生成的只读的verilog例化模板文件，双击就可以打开它，如下图所示。

图 12.4.11 “blk_mem_gen_0.veo”文件

接下来我们创建一个新的设计文件，命名为ram_rw.v，代码如下：

1 module ram_rw(
2 input clk , //时钟信号
3 input rst_n , //复位信号，低电平有效
4
5 output ram_en , //ram使能信号
6 output ram_wea , //ram读写选择
7 output reg [4:0] ram_addr , //ram读写地址
8 output reg [7:0] ram_wr_data, //ram写数据
9 input [7:0] ram_rd_data //ram读数据
10 );
11
12 //reg define
13 reg [5:0] rw_cnt ; //读写控制计数器
14
15 //*****************************************************
16 //** main code
17 //*****************************************************
18
19 //控制RAM使能信号
20 assign ram_en = rst_n;
21 //rw_cnt计数范围在0~31,写入数据;32~63时,读出数据
22 assign ram_wea = (rw_cnt <= 6'd31 && ram_en == 1'b1) ? 1'b1 : 1'b0;
23
24 //读写控制计数器,计数器范围0~63
25 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
26 if(rst_n == 1'b0)
27 rw_cnt <= 1'b0;
28 else if(rw_cnt == 6'd63)
29 rw_cnt <= 1'b0;
30 else
31 rw_cnt <= rw_cnt + 1'b1;
32 end
33
34 //产生RAM写数据
35 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
36 if(rst_n == 1'b0)
37 ram_wr_data <= 1'b0;
38 else if(rw_cnt <= 6'd31) //在计数器的0-31范围内，RAM写地址累加
39 ram_wr_data <= ram_wr_data + 1'b1;
40 else
41 ram_wr_data <= 1'b0 ;
42 end
43
44 //读写地址信号范围：0~31
45 always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
46 if(rst_n == 1'b0)
47 ram_addr <= 1'b0;
48 else if(ram_addr == 5'd31)
49 ram_addr <= 1'b0;
50 else
51 ram_addr <= ram_addr + 1'b1;
52 end
53
63 endmodule

模块中定义了一个读写控制计数器（rw_cnt），当计数范围在0~31之间时，向ram中写入数据；当计数范围在32~63之间时，从ram中读出数据。
接下来我们设计一个verilog文件来实例化创建的RAM IP核以及ram_rw模块，文件名为ip_ram.v，编写的verilog代码如下。

1 module ip_ram(
2 input sys_clk , //系统时钟
3 input sys_rst_n //系统复位，低电平有效
4 );
5
6 //wire define
7 wire ram_en ; //RAM使能
8 wire ram_wea ; //ram读写使能信号,高电平写入,低电平读出
9 wire [4:0] ram_addr ; //ram读写地址
10 wire [7:0] ram_wr_data ; //ram写数据
11 wire [7:0] ram_rd_data ; //ram读数据
12
13 //*****************************************************
14 //** main code
15 //*****************************************************
16
17 //ram读写模块
18 ram_rw u_ram_rw(
19 .clk (sys_clk ),
20 .rst_n (sys_rst_n ),
21 //RAM
22 .ram_en (ram_en ),
23 .ram_wea (ram_wea ),
24 .ram_addr (ram_addr ),
25 .ram_wr_data (ram_wr_data ),
26 .ram_rd_data (ram_rd_data )
27 );
28
29 //ram ip核
30 blk_mem_gen_0 blk_mem_gen_0 (
31 .clka (sys_clk ), // input wire clka
32 .ena (ram_en ), // input wire ena
33 .wea (ram_wea ), // input wire [0 : 0] wea
34 .addra (ram_addr ), // input wire [4 : 0] addra
35 .dina (ram_wr_data ), // input wire [7 : 0] dina
36 .douta (ram_rd_data ) // output wire [7 : 0] douta
37 );
38
39 endmodule

程序中例化了ram_rw模块和ram IP核blk_mem_gen_0，其中ram_rw模块负责产生对ram IP核读/写所需的所有数据、地址以和读写使能信号，同时从ram IP读出的数据也连接至ram_rw模块。
接下来对RAM IP核进行仿真，来验证对RAM的读写操作是否正确。tb_ip_ram仿真文件源代码如下：

1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module tb_ip_ram();
4
5 reg sys_clk;
6 reg sys_rst_n;
7
8 always #10 sys_clk = ~sys_clk;
9
10 initial begin
11 sys_clk = 1'b0;
12 sys_rst_n = 1'b0;
13 #200
14 sys_rst_n = 1'b1;
15 end
16
17 ip_ram u_ip_ram(
18 .sys_clk (sys_clk ),
19 .sys_rst_n (sys_rst_n )
20 );
21
22 endmodule

接下来就可以开始仿真了，仿真过程这里不再赘述，仿真波形图如下图所示。

图 12.4.7 RAM写操作波形图

图 12.4.7为RAM的写操作仿真波形图，由上图可知，ram_wea信号拉高，说明此时是对ram进行写操作。ram_wea信号拉高之后，地址和数据都是从0开始累加，也就说当ram地址为0时，写入的数据也是0；当ram地址为1时，写入的数据也是1，我们总共向ram中写入32个数据。
RAM读操作仿真波形图如下图所示：

图 12.4.8 RAM读操作波形图

由上图可知，ram_wea信号拉低，说明此时是对ram进行读操作。ram_wea信号拉低之后，ram_addr从0开始增加，也就是说从ram的地址0开始读数据；ram中读出的数据ram_rd_data在延时一个时钟周期之后，开始输出数据，输出的数据为0，1，2……，和我们写入的值是相等的，也就是说，我们创建的RAM IP核从仿真结果上来看是正确的。
接下来添加ILA IP核，将ram_en、ram_wea、ram_addr、ram_wr_data和ram_rd_data信号添加至观察列表中，添加ILA IP核的方法这里不再赘述。
最后为工程添加IO管脚约束，对应的XDC约束语句如下所示：
set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
12.5下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件。将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，连接电源线，并打开开发板的电源开关。
点击Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，此时Vivado软件识别到下载器，点击“Hardware”窗口中“Progam Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程序。
RAM写操作在ILA中观察的波形如下图所示：

图 12.5.1 RAM写操作ILA波形图

ram_wea信号拉高之后，地址和数据都是从0开始累加，也就说当ram地址为0时，写入的数据也是0；当ram地址为1时，写入的数据也是1。我们可以发现，上图中的数据变化和在Vivado仿真的波形是一致的。
RAM读操作在ILA中观察的波形如下图所示：

图 12.5.2 RAM读操作ILA波形图

ram_wea（读使能）信号拉低之后，ram_addr从0开始增加，也就是说从ram的地址0开始读数据；ram中读出的数据ram_rd_data在延时一个时钟周期之后，开始输出数据，输出的数据为0，1，2……，和我们写入的值是相等的。我们可以发现，上图中的数据变化同样和Vivado仿真的波形是一致的。本次实验的IP核之RAM读写实验验证成功。

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