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FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

時(shí)間：2020-11-16 17:26:50
關(guān)鍵字： fpga設(shè)計(jì)    嵌入式   
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[導(dǎo)讀]RAM是用來(lái)在程序運(yùn)行中存放隨機(jī)變量的數(shù)據(jù)空間，使用時(shí)可以利用 Quartus II 的LPM功能實(shí)現(xiàn)RAM的定制。


??????? RAM是用來(lái)在程序運(yùn)行中存放隨機(jī)變量的數(shù)據(jù)空間，使用時(shí)可以利用 Quartus II 的LPM功能實(shí)現(xiàn)RAM的定制。
? ? ? ?軟件環(huán)境：Quartus II 11.0
? ? ? ?操作系統(tǒng)：win7
? ? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

實(shí)現(xiàn)方法一：利用LPM_RAM


利用LPM_RAM：? ???
1、首先準(zhǔn)備好存儲(chǔ)器初始化文件，即.mif文件。
如何生成mif文件？如下：? ? ??? ? ??
mif文件就是存儲(chǔ)器初始化文件，即memory initialization file，用來(lái)配置RAM或ROM 中的數(shù)據(jù)。生成 Quartus II 11.0可用的mif文件，有如下幾種方式：



方法A：利用Quartus自帶的mif編輯器? ? ? ?
優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于小容量RAM可以快速方便的完成mif文件的編輯工作，不需要第三方軟件的編輯；? ? ? ?

缺點(diǎn)：一旦數(shù)據(jù)量過(guò)大，一個(gè)一個(gè)的輸入會(huì)使人崩潰；? ??
? ?
使用方法：在quartus中，【file】/【new】，選擇Memory Initialization file，彈出如下窗口：? ? ??
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ??

Number of words：可尋址的存儲(chǔ)單元數(shù)，對(duì)于8bit地址線，此處選擇256；? ? ??

words size：存儲(chǔ)單元寬度，8bit；? ??

然后點(diǎn)擊“OK”.? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ??

* 在表格中輸入初始化數(shù)據(jù)；? ?
* 右鍵單擊左側(cè)地址值，可以修改地址和數(shù)據(jù)的顯示格式；??
* 表中任一數(shù)據(jù)的地址=列值+行值，如圖中藍(lán)色單元的地址=24+4=28。? ??
? ? ?
對(duì)每個(gè)單元填寫(xiě)初始值之后，將文件保存即可。
? ? ? ?


方法B：利用mif軟件來(lái)生成? ? ? ?
無(wú)論使用什么編輯器，必須保證mif文件的格式如下：
冒號(hào)左邊是地址，右邊是數(shù)據(jù)；分號(hào)結(jié)尾；　　 
DEPTH = 256;　　WIDTH = 8;　　ADDRESS_RADIX = HEX;　　DATA_RADIX = HEX;　　CONTENT　　BEGIN　　0000 : 0000;　　0001 : 0000;　　0002 : 0000;　　……(此處省略一千字*.*)　　00FA : 00FF;　　00FB : 00FF;　　00FC : 00FF;　　00FD : 00FF;　　00FE : 00FF;　　00FF : 00FF;　END;
這里推薦一款mif生成器：Mif_Maker2010.exe，可以在公眾號(hào)內(nèi)部獲取對(duì)應(yīng)軟件安裝包；這里超鏈接一下。
Vivado 2017.2 安裝教程（含多版本各類(lèi)安裝包）

軟件使用方法見(jiàn)如下：? ? ??
(1) 打開(kāi)軟件，【文件】/【新建】；? ??

(2) 設(shè)置全局參數(shù)


? FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ?

(3) 生成波形
以生成正弦波為例：【設(shè)定波形】/【正弦波】? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
? ?
(4) 修改波形
【手繪波形】/【線條】，鼠標(biāo)左鍵選擇兩個(gè)起點(diǎn)，鼠標(biāo)右鍵結(jié)束，即可繪制任意波形；
繪制完畢后，再次選擇【手繪波形】/【取消手繪】，結(jié)束繪制狀態(tài)。
? ? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

(5) 保存文件。


方法C：使用高級(jí)語(yǔ)言　　 ? ? ? ?
用 C 語(yǔ)言或者 matlab 語(yǔ)言等來(lái)生成，C 語(yǔ)言生成代碼如下：本代碼生成一個(gè)正弦波的數(shù)據(jù)波形，保存在 TestMif.mif 中。
 
#include #include 
#define PI 3.141592#define DEPTH 128 /*數(shù)據(jù)深度，即存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)*/#define WIDTH 8 /*存儲(chǔ)單元的寬度*/
int main(void){ int i,temp; float s;
 FILE *fp; fp = fopen("TestMif.mif","w"); /*文件名隨意，但擴(kuò)展名必須為.mif*/ if(NULL==fp) printf("Can not creat file!\r\n"); else { printf("File created successfully!\n"); /* * 生成文件頭：注意不要忘了“;” */ fprintf(fp,"DEPTH = %d;\n",DEPTH); fprintf(fp,"WIDTH = %d;\n",WIDTH); fprintf(fp,"ADDRESS_RADIX = HEX;\n"); fprintf(fp,"DATA_RADIX = HEX;\n"); fprintf(fp,"CONTENT\n"); fprintf(fp,"BEGIN\n");
 /* * 以十六進(jìn)制輸出地址和數(shù)據(jù) */ for(i=0;i { /*周期為128個(gè)點(diǎn)的正弦波*/  s = sin(PI*i/64);  /*將-1～1之間的正弦波的值擴(kuò)展到0-255之間*/  temp = (int)((s+1)*255/2); /*以十六進(jìn)制輸出地址和數(shù)據(jù)*/ fprintf(fp,"%x\t:\t%x;\n",i,temp); }//end for  fprintf(fp,"END;\n"); fclose(fp); }}　　

驗(yàn)證生成的數(shù)據(jù)是否正確：用記事本打開(kāi)生成的mif文件，同時(shí)用 Quartus 打開(kāi) mif文件，內(nèi)容如下：
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
? ? ? ?? ? ? ?
能成功導(dǎo)入，且數(shù)據(jù)一致，說(shuō)明生成正確。? ???



前面的推薦的軟件的使用方法以及mif文件生成完畢后，開(kāi)始接下來(lái)的設(shè)計(jì)。? ??
??
本篇預(yù)先生成了一個(gè)正弦波的數(shù)據(jù)文件，TEST1.mif，可以在 Quartus II 中打開(kāi)，以便查看內(nèi)容：【file】/【open】，在文件類(lèi)型中選擇memory files，打開(kāi)TEST1.mif，內(nèi)容如下：
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
???? ? ? ?
2、生成LPM_RAM塊? ? ??
1）在Quartus II 中，【tools】/【megawizard plugin manager】，打開(kāi)向?qū)Вx擇【memory compiler】文件夾下的RAM：這里選擇單口RAM，
即：RAM:1-PORT，命名為RAM1P；
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ? 　　? ? ?
2）設(shè)置存儲(chǔ)深度為128，數(shù)據(jù)寬度為8bit、選擇嵌入式M4K RAM實(shí)現(xiàn)、使用單時(shí)鐘方案；? ? ??
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解


3）取消選擇“數(shù)據(jù)輸出鎖存”，不需要時(shí)鐘使能端；
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
? ? ??
4）使用mif初始化該RAM塊、允許“在系統(tǒng)(In System)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)”，并將此RAM的ID設(shè)置為RAM1；
* 載入前面生成的存儲(chǔ)器初始化文件：TEST1.mif；
* ID主要用于多RAM系統(tǒng)時(shí)，對(duì)不同RAM的識(shí)別，此處命名為RAM1；
* 關(guān)于“在系統(tǒng)存儲(chǔ)器讀寫(xiě)”的含義，各位大俠可以自行查閱資料。

FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ? ?

經(jīng)過(guò)以上設(shè)置，即可生成一個(gè)名字為RAM1P.v的文件，以后就可以對(duì)其進(jìn)行例化和使用。
3、對(duì)RAM1P.v進(jìn)行例化
對(duì)RAM1P.v進(jìn)行例化，就可以使用，例化方法如下：
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 ? ? ? ?

推薦使用Verilog文本的方式進(jìn)行例化，十分不贊成用原理圖的方式來(lái)例化各個(gè)模塊。? ? ? ?
生成的RTL圖：? ? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

4、對(duì)該RAM塊進(jìn)行仿真
對(duì)該RAM塊進(jìn)行仿真，以便了解端口的特性：?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
? ??
* 由于使用的時(shí)鐘方案為單時(shí)鐘(single clock)，因此無(wú)論wren=0還是1，Q都輸出address指定的地址中的數(shù)據(jù)；可以從Verilog描述中看出這是利用assign語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)的(verilog代碼見(jiàn)下文)。? ? ? ?
* 當(dāng)wren=1時(shí)，將數(shù)據(jù)輸入端data的數(shù)據(jù)寫(xiě)入到address指定的存儲(chǔ)單元內(nèi)。
? ? ? ? ?
輸出的數(shù)據(jù)依次為0x80，0x86，0x8c，0x92……,對(duì)比前文所顯示的mif文件內(nèi)容，可以驗(yàn)證mif文件已經(jīng)成功導(dǎo)入， 而接下來(lái)輸出的數(shù)據(jù)0x0c、0x0d、0x0c、0x0c，是在wren=1期間，由數(shù)據(jù)輸入端data寫(xiě)入到地址04、05、06、07中的數(shù)據(jù)， 接下來(lái)繼續(xù)輸出0xb0、0xb6……，則仍然為 mif 中對(duì)應(yīng)地址的初始化數(shù)據(jù)。 ? ? ??

說(shuō)明：在編譯過(guò)程中，如果使用 cyclone II 器件，可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤“Error: M4K memory block WYSIWYG primitive……”，解決辦法如下：
【ASSIGNMENTS 】/【 SETTING】，找到如下位置，在name中輸入“CYCLONEII_SAFE_WRITE”，在DEFAULT SETTING中輸入“VERIFIED_SAFE”；??

然后點(diǎn)擊add按鈕：? ? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

? ? ? ?

FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解

方法二、使用verilog純文本的描述方式


? ? ?
生成同樣功能的RAM塊，代碼如下：
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解
? ? ??
注意此時(shí)mif文件載入RAM的方法，是利用文本描述的方式實(shí)現(xiàn)的，此種方式有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不能在modelsim中進(jìn)行仿真：? ? ??
(* ?ram_init_file = "TEST1.mif " *) ?reg [7:0] mem[127:0];? ? ? ?

對(duì)比兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)：? ? ? ?
FPGA設(shè)計(jì)中，RAM的兩種實(shí)現(xiàn)方法詳解 　　? ? ? ??
經(jīng)過(guò) Quartus II 的編譯報(bào)告可以看出，方法二比方法一相比，占用了很多的LE，同時(shí)還使用了1024個(gè)register，因此方法二是十分不經(jīng)濟(jì)的，這里給出只是提供一個(gè)參考，便于理解LPM_RAM的工作方式，應(yīng)用時(shí)，建議使用方法一來(lái)構(gòu)建RAM。



END

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