luhui

FPGA设计中的RAM的两种实现方法

0
阅读(146) 评论(0)

        大家好,又到了每日学习的时间了,今天我们来聊一聊在FPGA设计中RAM的两种使用方法,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QuartusII的LPM功能实现RAM的定制。

       软件环境:QuartusII 11.0

       操作系统:win7



       实现方法一、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QuartusII11.0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:
       

       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”.
       

       * 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;

  DEPTH = 256;

  WIDTH = 8;

  ADDRESS_RADIX = HEX;

  DATA_RADIX = HEX;

  CONTENT

  BEGIN

  0000 : 0000;

  0001 : 0000;

  0002 : 0000;

  ……(此处省略一千字*.*)

  00FA : 00FF;

  00FB : 00FF;

  00FC : 00FF;

  00FD : 00FF;

  00FE : 00FF;

  00FF : 00FF;

  END;

       这里推荐一款mif生成器:Mif_Maker2010.exe,可以百度下载;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:
       

       

       3.生成波形:

          以生成正弦波为例:【设定波形】/【正弦波】
       

       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;
       
   
       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。
#include <stdio.h>
#include <math.h>

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

int main(void)
{
   int i,temp;
   float s;

   FILE *fp;
   fp = fopen("TestMif.mif","w");   /*文件名随意,但扩展名必须为.mif*/
   if(NULL==fp)
       printf("Can not creat file!\r\n");
   else
   {
       printf("File created successfully!\n");
       /*
       *    生成文件头: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");

       /*
       * 以十六进制输出地址和数据
       */
       for(i=0;i<DEPTH;i++)
       {
            /*周期为128个点的正弦波*/ 
           s = sin(PI*i/64);   
           /*将-1~1之间的正弦波的值扩展到0-255之间*/ 
           temp = (int)((s+1)*255/2);
           /*以十六进制输出地址和数据*/
           fprintf(fp,"%x\t:\t%x;\n",i,temp);
       }//end for
       
       fprintf(fp,"END;\n");
       fclose(fp);
   }
}  

       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:
       

       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。

       本文预先生成了一个正弦波的数据文件,TEST1.mif,可以在QuartusII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:
       
     
       2.生成LPM_RAM块

       1)在QuartusII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:
       

         
       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:
       

    
       3)取消选择“数据输出锁存”,不需要时钟使能端:
       
       
       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,后续会补一片文章,专门介绍该工具的使用;
       


       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,就可以使用,例化方法如下:
module TEST(
   input     [6:0]  address,
   input                clock,
   input     [7:0]  data,
   input                wren,
   output [7:0]   q
);

RAM1P    RAM1P_inst (
   .address ( address ),
   .clock ( clock ),
   .data ( data ),
   .wren ( wren ),
   .q ( q )
   );

endmodule

       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:
       


       4.对该RAM块进行仿真,以便了解端口的特性:
       


       * 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cycloneII器件,可能会出现错误“Error: M4K memory block WYSIWYG primitive……”,解决办法为:

       【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:
       

  



       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:
module RAM1P(
   input     [6:0]  address,
   input            clock,
   input     [7:0]  data,
   input            wren,
   output    [7:0]  q
);

(*  ram_init_file = "TEST1.mif " *)  reg [7:0] mem[127:0];

always@(posedge clock)
   if(wren) mem[address] <= data;  /*在时钟的上升沿写入数据*/
   
assign q = mem[address]; 
endmodule

       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:
       


          经过QuartusII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,故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,平时应用时,建议使用方法一来构建RAM。

       今天就聊到这里,各位, 加油。