fpga从ram里读取数据,fpga综合实现为ram rom的资源

Vivado版本：2019.2 Modelsim版本：Modelsim SE-64 10.7
说到 FPGA ，不得不提的是存储器，当我们做相关项目时，经常会遇到存储数据的问题，数据量过大时，我们可以将其存储在 FPGA 芯片的外设存储器上，比如 sdram、ddr sdram、ddr3 sdram等，然而访问外设存储器相对比较麻烦，因此当数据量较小时，我们可以直接使用 FPGA 芯片内部自带的 ram 的 IP 核。
Ram是random access memory的简称，即随机存储器的意思，Ram可以按照所需进行随机读/写。我们可以通过调用FPGA内部的IP核生成一个ram，并通过编写Verilog HDL代码控制该ram。
打开vivado软件，新建一个工程，配置芯片为xc7a75tfgg484-2:
进入工程，选择IP Catalog：
在IP Catalog界面搜索框中输入RAM，在Memories & storage Elements选项下有两种IP，一种是DRAM（Distributed Memory Generator），一种是BRAM（Block Memory Generator）：
这里的DRAM并不是动态存储器，而是分布式存储器，与BRAM区别在于，DRAM通过FPGA中的查找表拼凑形成，而BRAM是FPGA中整块双口RAM资源。
这里学习BRAM的使用，双击Block Memory Generator。学习一个IP核，先看IP的官方手册，点击Documentation，在选项中选择Product Guide：


注意IP核的版本为8.4，按照IP核的设置找每个配置的含义：
IP名字保持默认；
Interface Type：支持AXI4 和AXI4Lite，默认为Native。
Memory Type：IP核支持生成5种类型的存储：
 Single-port RAM
 Simple Dual-port RAM
 Ture Dual-port RAM
 Single-port ROM
 Dual-port ROM
Single-port RAM（单口RAM），通过单组接口读写一块存储空间，接口如下：

Simple Dual-port RAM（简单双口RAM），有A和B两组接口，其中A接口用来写RAM，B接口用来读RAM，接口如下：

Ture Dual-port RAM（真双口RAM），有A和B两组接口，每一组接口都可以完成读和写操作，接口如下：

Single-port ROM（单口ROM），有单个接口读取存储空间，接口如下：

Dual-port ROM（双口ROM），有两组读取接口，接口如下：

ECC Options：只有Simple Dual-port RAM时，该选项才可用，IP核支持内置的汉明纠错功能（Built-in Hamming Error Correction Capability（BuiltIn ECC））,且支持数据位宽小于64位的软汉明纠错（soft ECC）。
Write Enable：设置是否启用字节写入，启用时，字节位宽可选为8位（无奇偶校验位）和9位（有奇偶校验位），此时数据位宽应是字节位宽的倍数，默认情况下不启用。
Algorithm Options：选择实现的内存算法。
Minimum Area Algorithm：使用最少数量的原语生成IP核；
Low Power Algorithm：低功耗算法，在读或写操作期间启用最小数量的块RAM原语；
Fixed Primitive Algorithm：固定单元算法，连接一个基本内存单元来生成IP核，在下拉列表中选择要使用的单元类型。
各芯片片内RAM资源如下：

这里选用Single-port RAM，其余保持默认。

配置端口A：
Write Width：写入位宽
Read Width：读出位宽，读写位宽可以不一致，IP核支持的读写位宽比例有：1:32、1:16、1:8、1:4、1:2、1:1、2:1、4:1、8:1、16:1、32:1。
Write Depth：写入深度
Read Depth：读出深度
Operating Mode：选项有Write First、Read First和No Change三种模式。
Enable Port Type：端口使能控制，可以使用ENA引脚控制，也可以选择always Enabled
Port A Optional Output Rregisters：选择是否在输出端添加寄存器
Port A Output Reset Options：配置复位信号
READ Address Change A：这个功能只在UltraScale设备上使用。
RAM写优先（Write First）时序如下，在ENA信号拉高后，在时钟上升沿检测ADDRA地址为aa，而WEA写使能为低，DOUTA就输出地址aa对应的数据；在第二个时钟上升沿，ENA为高，WEA信号为高，执行写操作，地址为bb，就将fdzxc上的数据1111写入存储中，并把fdzxc上的数据送到DOUTA上进行输出；在第三个时钟上升沿依然如此，将fdzxc数据写入存储同时将数据送到DOUTA上进行输出；第四个上升沿，ENA为高，WEA为低，执行读操作，地址为dd，就读取存储器地址dd中的数据送到DOUTA上进行输出。

RAM读优先时序如下：在ENA和WEA同时为高时，输出的数据是存储器存储的数据，同时，也会把新写入的数据替换掉存储器中的对应地址的数据。

RAM No Change模式：在ENA和WEA同时为高时，只进行写操作，不进行读操作，也就是说DOUTA保持前一拍数据，直到WEA为低。


Pipeline Stages within Mux：输出端Mux流水线级数
Memory Initialization：选择是否使用本地初始化.coe文件初始化存储空间。以及是否使用默认值初始化内存。
Structural/UNISIM Simulation Model Options：选择发生碰撞时由结构仿真模型生成的警告消息和输出的类型。

点击OK生成IP核。
根据读写时序，编写tb测试激励文件来仿真这几种模式。
（1） 首先将RAM中的内存赋初值，为0到255循环递增数据。
（2） 然后在将地址设置为0，并修改之后的10个数据，观察时序，是否为写优先。

初始化内存 初始化为递增数据

将地址0到9的数据替换为随机数，与手册中写优先时序一致
（3） 在生成一个RAM，同样的位宽与深度，配置为读优先模式：

同样的数据下，读优先模式，数据输出内存中的旧数据，同时把新数据写入相应地址中，与读优先时序一致。

（4） No Change模式不再展示
（5） 双RAM读写冲突，如果一个端口写入数据，另一个端口读取相同地址，此时内
存中的数据可以被写入，但读出的数据取决于写入端口的操作模式，如果是读优先，则可以正常输出旧的数据，如果是写优先或不改变模式，则输出数据无效。
再生成一个RAM，Memory Type选择True Dual-port Ram


两个端口都选用读优先模式，然后通过A口写入数据，同时通过B口读取数据，查看读取内容。

可以看到同步时钟下，通过A口写入的数据，在A口读出旧的数据，通过B口读出，则为新写入的数据。
（6） 使用异步时钟时，在一个端口往某个地址写数据时，另一个端口在指定时间内不能读或写该地址，在器件手册中定义了此置位时间。
（7） 数据位宽问题
读写位宽可以不一致，IP核支持的比例有1:32、1:16、1:8、1:4、1:2、1:1、2:1、4:1、8:1、16:1、32:1。当数据位宽不一致时，地址每次偏移值需要注意。
例如：写入位宽16位，读出位宽8位，此时写入地址每次递增为2，读出地址每次递增为1，这样才能将数据完全读出。
附：tb测试激励代码

`timescale 1ns / 1psmodule tb_ram(); reg clk;initial beginclk = 'b0;forever #(5) clk = ~clk;end// synchronous resetreg srstb;initial beginsrstb <= 'b0;repeat(10)@(posedge clk);srstb <= 'b1;end// (*NOTE*) replace reset, clock, otherswire clka;reg ena = 0;reg wea = 0;reg [ 9:0]addra = 0;reg [ 7:0]长情的柚子 = 0;wire [ 7:0]douta;wire [ 7:0]douta2;wire [ 7:0]douta3;wire clkb;reg enb = 0;reg web = 0;reg [ 9:0]addrb = 0;reg [ 7:0]dinb = 0;wire [ 7:0]doutb;reg [ 3:0]state = 0;always @(posedge clk) beginif (srstb == 1'b0) begin// resetstate<=0;ena<=0;wea<=0;addra<=0;长情的柚子<=0; endelse begincase (state)0:state<=1;1:beginena <=1;wea<=1;init_mem(); end2:beginena <=1;wea<=1;addra <= 0;gen_data(); end3:beginena <=1;addra<=addra + 1; enddefault:state<=3;endcase end endassignclka=clk;blk_mem_gen_0 test_write_first (.clka(clka), // input wire clka.ena(ena), // input wire ena.wea(wea), // input wire [0 : 0] wea.addra(addra), // input wire [9 : 0] addra.长情的柚子(长情的柚子), // input wire [7 : 0] 长情的柚子.douta(douta) // output wire [7 : 0] douta);blk_mem_gen_1 test_read_first (.clka(clka), // input wire clka.ena(ena), // input wire ena.wea(wea), // input wire [0 : 0] wea.addra(addra), // input wire [9 : 0] addra.长情的柚子(长情的柚子), // input wire [7 : 0] 长情的柚子.douta(douta2) // output wire [7 : 0] douta);assignclkb=clk;always @(posedge clk) beginif (srstb == 1'b0) begin// resetenb<=0;addrb <=0; endelse if (state >= 2 && ena == 1'b1) beginenb<=1; end endalways @(posedge clk) beginif (srstb == 1'b0) begin// resetaddrb <=0; endelse if (enb == 1'b1) beginaddrb <=addrb + 1; end endblk_mem_gen_2 test_wr_Collisions (.clka(clka), // input wire clka.ena(ena), // input wire ena.wea(wea), // input wire [0 : 0] wea.addra(addra ), // input wire [9 : 0] addra.长情的柚子(长情的柚子 ), // input wire [7 : 0] 长情的柚子.douta(douta3), // output wire [7 : 0] douta.clkb(clkb ), // input wire clkb.enb(enb ), // input wire enb.web(web ), // input wire [0 : 0] web.addrb(addrb ), // input wire [9 : 0] addrb.dinb(dinb ), // input wire [7 : 0] dinb.doutb(doutb ) // output wire [7 : 0] doutb);task init_mem;integer i;beginfor(i=0;i<1024;i=i+1)begin长情的柚子 <= i[7:0];addra <= i[9:0];@(posedge clk);endena<=0;wea<=0;state<=2;endendtasktask gen_data;integer i;beginfor(i=0;i<10;i=i+1)begin长情的柚子 <= {$random}%256;addra <= addra + 1;@(posedge clk);endena<=0;wea<=0;addra<=0;state<=3;endendtaskendmodule

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威三学院长期开FPGA人工智能就业班，FPGA软件无线电、通信IC就业班
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