FPGA设计中的RAM的两种实现方法

        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。

FPGA设计中的RAM的两种实现方法

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