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FPGA设计——RAM的实现方法

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gaosmile 发布时间:2020-11-14 14:43
       RAM是用来在程序运行中存放随机变量的数据空间,使用时可以利用 Quartus II 的LPM功能实现RAM的定制。       软件环境:Quartus II 11.0
       操作系统:win7
      

实现方法一:利用LPM_RAM

利用LPM_RAM:     1、首先准备好存储器初始化文件,即.mif文件。
如何生成mif文件?如下:            
mif文件就是存储器初始化文件,即memory initialization file,用来配置RAM或ROM 中的数据。生成 Quartus II 11.0可用的mif文件,有如下几种方式:

方法A:利用Quartus自带的mif编辑器      
优点:对于小容量RAM可以快速方便的完成mif文件的编辑工作,不需要第三方软件的编辑;      
缺点:一旦数据量过大,一个一个的输入会使人崩溃;       使用方法:在quartus中,【file】/【new】,选择Memory Initialization file,弹出如下窗口:   
    微信图片_20201114143129.png       
Number of words:可寻址的存储单元数,对于8bit地址线,此处选择256;      
words size:存储单元宽度,8bit;   
然后点击“OK”.
    微信图片_20201114143125.jpg       
* 在表格中输入初始化数据;   * 右键单击左侧地址值,可以修改地址和数据的显示格式;  * 表中任一数据的地址=列值+行值,如图中蓝色单元的地址=24+4=28。         对每个单元填写初始值之后,将文件保存即可。
      
方法B:利用mif软件来生成      
无论使用什么编辑器,必须保证mif文件的格式如下:冒号左边是地址,右边是数据;分号结尾;  

  1. DEPTH = 256;  
  2. WIDTH = 8;  
  3. ADDRESS_RADIX = HEX;  
  4. DATA_RADIX = HEX;  
  5. CONTENT  
  6. BEGIN  
  7. 0000 : 0000;  
  8. 0001 : 0000;  
  9. 0002 : 0000;
  10.   
  11. ……(此处省略一千字*.*)  
  12. 00FA : 00FF;  
  13. 00FB : 00FF;  
  14. 00FC : 00FF;  
  15. 00FD : 00FF;  
  16. 00FE : 00FF;  
  17. 00FF : 00FF; 
  18. END;
复制代码

这里推荐一款mif生成器:Mif_Maker2010.exe,可以在公众号内部获取对应软件安装包;这里超链接一下。
Vivado 2017.2 安装教程(含多版本各类安装包)
软件使用方法见如下:      
(1) 打开软件,【文件】/【新建】;   

(2) 设置全局参数


微信图片_20201114143121.png
微信图片_20201114143118.png      
(3) 生成波形
以生成正弦波为例:【设定波形】/【正弦波】
    微信图片_20201114143113.jpg   
(4) 修改波形
【手绘波形】/【线条】,鼠标左键选择两个起点,鼠标右键结束,即可绘制任意波形;
绘制完毕后,再次选择【手绘波形】/【取消手绘】,结束绘制状态。
      
微信图片_20201114143110.jpg
(5) 保存文件。
方法C:使用高级语言          
用 C 语言或者 matlab 语言等来生成,C 语言生成代码如下:本代码生成一个正弦波的数据波形,保存在 TestMif.mif 中。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <math.h>

  3. #define PI 3.141592
  4. #define DEPTH 128     /*数据深度,即存储单元的个数*/
  5. #define WIDTH 8       /*存储单元的宽度*/

  6. int main(void)
  7. {
  8.    int i,temp;
  9.    float s;

  10.    FILE *fp;
  11.    fp = fopen("TestMif.mif","w");   /*文件名随意,但扩展名必须为.mif*/
  12.    if(NULL==fp)
  13.        printf("Can not creat file!\r\n");
  14.    else
  15.    {
  16.        printf("File created successfully!\n");
  17.        /*
  18.        *    生成文件头:注意不要忘了“;”
  19.        */
  20.        fprintf(fp,"DEPTH = %d;\n",DEPTH);
  21.        fprintf(fp,"WIDTH = %d;\n",WIDTH);
  22.        fprintf(fp,"ADDRESS_RADIX = HEX;\n");
  23.        fprintf(fp,"DATA_RADIX = HEX;\n");
  24.        fprintf(fp,"CONTENT\n");
  25.        fprintf(fp,"BEGIN\n");

  26.        /*
  27.        * 以十六进制输出地址和数据
  28.        */
  29.        for(i=0;i<DEPTH;i++)
  30.        {
  31.             /*周期为128个点的正弦波*/
  32.            s = sin(PI*i/64);   
  33.            /*将-1~1之间的正弦波的值扩展到0-255之间*/
  34.            temp = (int)((s+1)*255/2);
  35.            /*以十六进制输出地址和数据*/
  36.            fprintf(fp,"%x\t:\t%x;\n",i,temp);
  37.        }//end for
  38.       
  39.        fprintf(fp,"END;\n");
  40.        fclose(fp);
  41.    }
  42. }  
复制代码
 
验证生成的数据是否正确:用记事本打开生成的mif文件,同时用 Quartus 打开 mif文件,内容如下:
微信图片_20201114143106.jpg               
能成功导入,且数据一致,说明生成正确。     
前面的推荐的软件的使用方法以及mif文件生成完毕后,开始接下来的设计。      
本篇预先生成了一个正弦波的数据文件,TEST1.mif,可以在 Quartus II 中打开,以便查看内容:【file】/【open】,在文件类型中选择memory files,打开TEST1.mif,内容如下:
微信图片_20201114143100.jpg          

2、生成LPM_RAM块      
1)在Quartus II 中,【tools】/【megawizard plugin manager】,打开向导,选择【memory compiler】文件夹下的RAM:这里选择单口RAM,
即:RAM:1-PORT,命名为RAM1P;
微信图片_20201114142914.jpg            
2)设置存储深度为128,数据宽度为8bit、选择嵌入式M4K RAM实现、使用单时钟方案;       微信图片_20201114142917.jpg


3)取消选择“数据输出锁存”,不需要时钟使能端;
微信图片_20201114142921.png      
4)使用mif初始化该RAM块、允许“在系统(In System)存储器读写”,并将此RAM的ID设置为RAM1;
* 载入前面生成的存储器初始化文件:TEST1.mif;
* ID主要用于多RAM系统时,对不同RAM的识别,此处命名为RAM1;
* 关于“在系统存储器读写”的含义,各位大侠可以自行查阅资料。
微信图片_20201114142925.jpg       
经过以上设置,即可生成一个名字为RAM1P.v的文件,以后就可以对其进行例化和使用。

3、对RAM1P.v进行例化
对RAM1P.v进行例化,就可以使用,例化方法如下:
微信图片_20201114142928.png       
推荐使用Verilog文本的方式进行例化,十分不赞成用原理图的方式来例化各个模块。      
生成的RTL图:
       微信图片_20201114142932.png
4、对该RAM块进行仿真
对该RAM块进行仿真,以便了解端口的特性:
微信图片_20201114142937.png    
* 由于使用的时钟方案为单时钟(single clock),因此无论wren=0还是1,Q都输出address指定的地址中的数据;可以从Verilog描述中看出这是利用assign语句实现的(verilog代码见下文)。      
* 当wren=1时,将数据输入端data的数据写入到address指定的存储单元内。
         
输出的数据依次为0x80,0x86,0x8c,0x92……,对比前文所显示的mif文件内容,可以验证mif文件已经成功导入,而接下来输出的数据0x0c、0x0d、0x0c、0x0c,是在wren=1期间,由数据输入端data写入到地址04、05、06、07中的数据,接下来继续输出0xb0、0xb6……,则仍然为 mif 中对应地址的初始化数据。      
说明:在编译过程中,如果使用 cyclone II 器件,可能会出现错误“Error: M4K memory block WYSIWYG primitive……”,解决办法如下:【ASSIGNMENTS 】/【 SETTING】,找到如下位置,在name中输入“CYCLONEII_SAFE_WRITE”,在DEFAULT SETTING中输入“VERIFIED_SAFE”;  
然后点击add按钮:   
    微信图片_20201114142941.jpg      

方法二、使用verilog纯文本的描述方式


生成同样功能的RAM块,代码如下:
微信图片_20201114142946.png       
注意此时mif文件载入RAM的方法,是利用文本描述的方式实现的,此种方式有一个缺点,就是不能在modelsim中进行仿真:      (*  ram_init_file = "TEST1.mif " *)  reg [7:0] mem[127:0];      
对比两种方法的优缺点:      
微信图片_20201114142949.jpg           
经过 Quartus II 的编译报告可以看出,方法二比方法一相比,占用了很多的LE,同时还使用了1024个register,因此方法二是十分不经济的,这里给出只是提供一个参考,便于理解LPM_RAM的工作方式,应用时,建议使用方法一来构建RAM。

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