【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第六章 FPGA片内RAM读写测试实验

2024-03-07 21:42:51

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适用于板卡型号：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

实验Vivado工程为“ram_test”。

RAM是FPGA中常用的基础模块，可广泛用于缓存数据的情况，同样它也是ROM，FIFO的基础。本实验将为大家介绍如何使用FPGA内部的RAM以及程序对该RAM的数据读写操作。

1.实验原理

Xilinx在VIVADO里为我们已经提供了RAM的IP核, 我们只需通过IP核例化一个RAM，根据RAM的读写时序来写入和读取RAM中存储的数据。实验中会通过VIVADO集成的在线逻辑分析仪ila，我们可以观察RAM的读写时序和从RAM中读取的数据。

2.创建Vivado工程

在添加RAM IP之前先新建一个ram_test的工程, 然后在工程中添加RAM IP，方法如下：

2.1 点击下图中IP Catalog，在右侧弹出的界面中搜索ram，找到Block Memory Generator,双击打开。

2.2 将Component Name改为ram_ip,在Basic栏目下，将Memory Type改为Simple Dual Prot RAM，也就是伪双口RAM。一般来讲"Simple Dual Port RAM"是最常用的，因为它是两个端口，输入和输出信号独立。

2.3 切换到Port A Options栏目下，将RAM位宽Port A Width改为16，也就是数据宽度。将RAM深度Port A Depth改为512，深度指的是RAM里可以存放多少个数据。使能管脚Enable Port Type改为Always Enable。

2.4 切换到Port B Options栏目下，将RAM位宽Port B Width改为16，使能管脚Enable Port Type改为Always Enable，当然也可以Use ENB Pin，相当于读使能信号。而Primitives Output Register取消勾选，其功能是在输出数据加上寄存器，可以有效改善时序，但读出的数据会落后地址两个周期。很多情况下，不使能这项功能，保持数据落后地址一个周期。

2.5 在Other Options栏目中，这里不像ROM那样需要初始化RAM的数据，我们可以在程序中写入，所以配置默认即可，直接点击OK。

2.6 点击“Generate”生成RAM IP。

3. RAM的端口定义和时序

Simple Dual Port RAM 模块端口的说明如下：

信号名称	方向	说明
clka	in	端口A时钟输入
wea	in	端口A使能
addra	in	端口A地址输入
dina	in	端口A数据输入
clkb	in	端口B时钟输入
addrb	in	端口B地址输入
doutb	out	端口B数据输输出

RAM的数据写入和读出都是按时钟的上升沿操作的，端口A数据写入的时候需要置高wea信号，同时提供地址和要写入的数据。下图为输入写入到RAM的时序图。

RAM写时序

而端口B是不能写入数据的，只能从RAM中读出数据，只要提供地址就可以了，一般情况下可以在下一个周期采集到有效的数据。

RAM读时序

4. 测试程序编写

下面进行RAM的测试程序的编写，由于测试RAM的功能，我们向RAM的端口A写入一串连续的数据，只写一次，并从端口B中读出，使用逻辑分析仪查看数据。代码如下

`timescale1ns/1ps
//
module ram_test(
			input clk,			//25MHz时钟
			input rst_n		//复位信号，低电平有效	
		);

//-----------------------------------------------------------
reg		[8:0]		w_addr;			//RAM PORTA写地址
reg		[15:0]		w_data;			//RAM PORTA写数据
reg			wea;		//RAM PORTA使能
reg		[8:0]		r_addr;			//RAM PORTB读地址
wire	[15:0]		r_data;			//RAM PORTB读数据

//产生RAM PORTB读地址
always@(posedge clk ornegedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
	r_addr <=9'd0;
elseif(|w_addr)			//w_addr位或，不等于0
    r_addr <= r_addr+1'b1;
else
	r_addr <=9'd0;	
end

//产生RAM PORTA写使能信号
always@(posedge clk ornegedge rst_n)
begin	
if(!rst_n)
	  wea <=#11'b0;
else
begin
if(&w_addr)//w_addr的bit位全为1，共写入512个数据，写入完成
        wea <=#11'b0;
else
        wea	<=#11'b1;//ram写使能
end
end

//产生RAM PORTA写入的地址及数据
always@(posedge clk ornegedge rst_n)
begin	
if(!rst_n)
begin
	  w_addr <=9'd0;
	  w_data <=16'd1;
end
else
begin
if(wea)	//ram写使能有效
	begin
		if(&w_addr)//w_addr的bit位全为1，共写入512个数据，写入完成
		begin
			w_addr <= w_addr ;//将地址和数据的值保持住，只写一次RAM
			w_data <= w_data ;
		end
		else
		begin
			w_addr <= w_addr +1'b1;
			w_data <= w_data +1'b1;
		end
	end
end
end

//-----------------------------------------------------------
//实例化RAM	
ram_ip ram_ip_inst (
.clka      (clk          ),// input clka
.wea       (wea          ),// input [0 : 0] wea
.addra     (w_addr       ),// input [8 : 0] addra
.dina      (w_data       ),// input [15 : 0] dina
.clkb      (clk          ),// input clkb
.addrb     (r_addr       ),// input [8 : 0] addrb
.doutb     (r_data       )// output [15 : 0] doutb
);

//实例化ila逻辑分析仪
ila_0 ila_0_inst (
	.clk	(clk	),
	.probe0	(r_data	),
	.probe1	(r_addr	)
);

	
endmodule

为了能实时看到RAM中读取的数据值，我们这里添加了ila工具来观察RAM PORTB的数据信号和地址信号。关于如何生成ila大家请参考”PL的”Hello World”LED实验”。

程序结构如下：

绑定引脚

##################Compress Bitstream############################
set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS TRUE [current_design]set_property PACKAGE_PIN AB11 [get_ports clk]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]create_clock -period 40.000 -name clk -waveform {0.000 20.000} [get_ports clk]set_property PACKAGE_PIN AA13 [get_ports rst_n]set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]

5. 仿真

仿真方法参考”PL的”Hello World”LED实验”，仿真结果如下，从图中可以看出地址1写入的数据是0002，在下个周期，也就是时刻2，有效数据读出。

6. 板上验证

生成bitstream，并下载bit文件到FPGA。接下来我们通过ila来观察一下从RAM中读出的数据是否为我们初始化的数据。

在Waveform的窗口设置r_addr地址为0作为触发条件，我们可以看到r_addr在不断的从0累加到1ff, 随着r_addr的变化, r_data也在变化, r_data的数据正是我们写入到RAM中的512个数据，这里需要注意，r_addr出现新地址时，r_data对应的数据要延时两个时钟周期才会出现，数据比地址出现晚两个时钟周期，与仿真结果一致。

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