ZYNQ之FPGA学习----RAM IP核使用实验

1 RAM IP核介绍

RAM 的英文全称是 Random Access Memory， 即随机存取存储器， 它可以随时把数据写入任一指定地址的存储单元，也可以随时从任一指定地址中读出数据，其读写速度由时钟频率决定

Xilinx 7 系列器件具有嵌入式存储器结构，嵌入式存储器结构由一列列 BRAM(块 RAM)存储器模块组成，通过对这些 BRAM 存储器模块进行配置，可以实现各种存储器的功能，例如：RAM、移位寄存器、ROM 以及 FIFO 缓冲器

Vivado 软件自带了 BMG IP 核(Block Memory Generator，块 RAM 生成器)，可以配置成 RAM 或者 ROM

2 实验任务

实验任务是使用 Xilinx BMG IP 核，配置成一个单端口的 RAM，然后对 RAM 进行读写操作。BMG IP 核配置成单端口 RAM 如图所示：

图片来自《领航者ZYNQ之FPGA开发指南》

• DINA： RAM 端口 A 写数据信号
• ADDRA： RAM 端口 A 读写地址信号，对于单端口 RAM 来说，读地址和写地址共用同该地址线
• WEA： RAM 端口 A 写使能信号，高电平表示向 RAM 中写入数据，低电平表示从 RAM 中读出数据
• ENA： 端口 A 的使能信号，高电平表示使能端口 A，低电平表示端口 A 被禁止，禁止后端口 A 上的读写操作都会变成无效。另外 ENA 信号是可选的，当取消该使能信号后，RAM 会一直处于有效状态
• RSTA： RAM 端口 A 复位信号，可配置成高电平或者低电平复位，该复位信号是一个可选信号
• REGCEA： RAM 端口 A 输出寄存器使能信号，当 REGCEA 为高电平时，DOUTA 保持最后一次输出的数据，REGCEA 同样是一个可选信号
• CLKA： RAM 端口 A 的时钟信号
• DOUTA： RAM 端口 A 读出的数据

3 实验设计

3.1 创建工程

新建工程，操作如图所示：

输入工程名和工程路径，如图所示：

选择创建RTL工程，如图所示：

直接点击Next：

继续点击Next：

添加芯片型号，操作如图所示：

完成工程创建：

3.2 设计输入

点击IP Catalog，搜索Block Memory，如图所示：

双击Block Memory Generator，弹出如下窗口：

• Component Name： 设置该 IP 核的名称
• Interface Type： RAM 接口总线，选择 Native 接口类型(标准 RAM 接口总线)
• Memory Type： 存储器类型，可配置成 Single Port RAM(单端口 RAM)、Simple Dual Port RAM(伪双端口 RAM)、True Dual Port RAM(真双端口 RAM)、Single Port ROM(单端口 ROM)和 Dual Port ROM(双端口 ROM)，本实验选择 Single Port RAM，即配置成单端口 RAM
• ECC Options： Error Correction Capability，纠错能力选项，单端口 RAM 不支持 ECC
• Write Enable： 字节写使能选项，勾中后可以单独将数据的某个字节写入 RAM 中
• Algorithm Options： 算法选项，可选择 Minimum Area(最小面积) 、 Low Power(低功耗)和 Fixed Primitives(固定的原语)

设置端口A的参数，如图所示：

• Write Width： 端口 A 写数据位宽，单位 Bit
• Read Width： 端口 A 读数据位宽，一般和写数据位宽保持一致
• Write Depth： 写深度，即 RAM 所能访问的地址范围为 0-31
• Read Depth： 读深度，默认和写深度保持一致
• Operating Mode： RAM 读写操作模式，共分为三种模式，分别是 Write First(写优先模式)、Read First(读优先模式)和 No Change(不变模式)。写优先模式指数据先写入 RAM 中，然后在下一个时钟输出该数据；读优先模式指数据先写入 RAM 中，同时输出 RAM 中同地址的上一次数据；不变模式指读写分开操作，不能同时进行读写
• Enable Port Type： 使能端口类型，Use ENA pin(添加使能端口 A 信号)；Always Enabled(取消使能信号，端口 A 一直处于使能状态)
• Port A Optional Output Register： 端口 A 输出寄存器选项，其中Primitives Output Register默认是选中状态，作用是打开 BRAM 内部位于输出数据总线之后的输出流水线寄存器
• Port A Output Reset Options： RAM 复位信号选项

Other Options 选项界面用于设置 RAM 的初始值：

Summary选项界面显示了存储器的类型，消耗的 BRAM 资源等，如图所示：

弹出如下窗口，直接点击Generate：

点击OK即可：

IP 核自动生成的只读的 verilog 例化模板文件，双击打开，如图所示：

创建工程顶层文件，操作如图所示：

创建文件，输入文件名ip_ram：

创建完成：

双击打开，输入代码如下：

module ip_ram( 
    input         sys_clk ,  //系统时钟 
    input         sys_rst_n,  //系统复位，低电平有效 
    output        ram  // 任意定义
    ); 
 
//wire define 
wire             ram_en      ;  //RAM 使能     
wire             ram_wea     ;  //ram 读写使能信号,高电平写入,低电平读出  
wire    [4:0]    ram_addr    ;  //ram 读写地址  
wire    [7:0]    ram_wr_data ;  //ram 写数据   
wire    [7:0]    ram_rd_data ;  //ram 读数据   

//ram 读写模块 
ram_rw  u_ram_rw( 
    .clk            (sys_clk      ), 
    .rst_n          (sys_rst_n    ), 
//RAM 
    .ram_en         (ram_en       ), 
    .ram_wea        (ram_wea      ), 
    .ram_addr       (ram_addr     ), 
    .ram_wr_data    (ram_wr_data  ), 
    .ram_rd_data    (ram_rd_data ) 
    ); 

//ram ip 核 
blk_mem_gen_0  blk_mem_gen_0 ( 
    .clka  (sys_clk       ),  // input wire clka 
    .ena   (ram_en        ),  // input wire ena   
    .wea   (ram_wea       ),  // input wire [0 : 0] wea 
    .addra (ram_addr      ),  // input wire [4 : 0] addra 
    .dina  (ram_wr_data   ),  // input wire [7 : 0] dina 
    .douta (ram_rd_data  )  // output wire [7 : 0] douta 
    ); 
endmodule 
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继续创建文件ram_rw，如图所示：

双击打开，输入代码：

module ram_rw( 
    input               clk        ,  //时钟信号 
    input               rst_n      ,  //复位信号，低电平有效 
  
    output              ram_en     ,  //ram 使能信号 
    output              ram_wea    ,  //ram 读写选择 
    output   reg  [4:0]  ram_addr   ,  //ram 读写地址 
    output   reg  [7:0]  ram_wr_data,  //ram 写数据 
    input        [7:0]  ram_rd_data   //ram 读数据         
    ); 

//reg define 
reg    [5:0]  rw_cnt ;                //读写控制计数器 
//控制 RAM 使能信号 
assign ram_en = rst_n; 
//rw_cnt 计数范围在 0~31,写入数据;32~63 时,读出数据 
assign ram_wea = (rw_cnt  <= 6'd31  && ram_en  == 1'b1) ? 1'b1 : 1'b0; 

//读写控制计数器,计数器范围 0~63 
always  @( posedge clk  or  negedge rst_n)  begin 
    if(rst_n  == 1'b0)
        rw_cnt  <= 1'b0;     
    else  if(rw_cnt  == 6'd63) 
        rw_cnt  <= 1'b0; 
    else 
        rw_cnt  <= rw_cnt + 1'b1;     
end   

//产生 RAM 写数据 
always  @( posedge clk  or  negedge rst_n)  begin 
    if(rst_n  == 1'b0) 
        ram_wr_data  <= 1'b0;   
    else  if(rw_cnt  <= 6'd31)  //在计数器的 0-31 范围内，RAM 写地址累加 
        ram_wr_data  <= ram_wr_data + 1'b1; 
    else 
        ram_wr_data  <= 1'b0 ;    
end   

//读写地址信号 范围：0~31 
always  @( posedge clk  or  negedge rst_n)  begin 
    if(rst_n  == 1'b0) 
        ram_addr  <= 1'b0; 
    else  if(ram_addr  == 5'd31) 
        ram_addr  <= 1'b0; 
    else     
        ram_addr <= ram_addr + 1'b1; 
end 

endmodule 
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如图所示：

3.3 分析与综合

对设计进行分析，操作如图所示：

分析后的设计，Vivado自动生成顶层原理图，如图所示：

对设计进行综合，操作如图所示：

综合完成后，弹出窗口如下，直接关闭：

3.4 约束输入

创建约束文件，操作如图所示：

创建文件，输入文件名：

双击打开，输入约束代码：

set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk] 
set_property -dict {PACKAGE_PIN J15 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
1
2

如图所示：

3.5 设计实现

点击 Flow Navigator 窗口中的 Run Implementation，如图所示：

点击OK：

报错，如图所示：

错误解决方案：Vivado 设计实现时报错The design is empty的解决方案(亲测有效)

3.6 功能仿真

创建TestBench，操作如图所示：

创建文件，输入文件名：

创建完成：

双击打开，输入TestBench(激励)代码：

`timescale 1ns / 1ps 
 
module tb_ip_ram (); 
 
reg     sys_clk; 
reg     sys_rst_n;       
 
always #10 sys_clk = ~sys_clk; 

initial  begin 
    sys_clk = 1'b0; 
    sys_rst_n = 1'b0; 
    #200 
    sys_rst_n = 1'b1; 
end 
  
ip_ram u_ip_ram( 
    .sys_clk          (sys_clk         ), 
    .sys_rst_n        (sys_rst_n      ) 
    ); 

endmodule

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如图所示：

开始进行仿真，操作如下：

选择HDL仿真对象，这里把我们解决错误时，任意添加的输出ram也选择了(不需要选择)：

选择HDL仿真对象：

点击Restart，波形窗口中的当前仿真时刻点回归到0ns：

删掉误添加的ram，开始仿真，ram进行写操作：

ram进行读操作：

关闭仿真：

点击OK即可：

3.7 下载验证

由于疫情，一直无法去实验室，故ZYNQ开发板不在身边，该步骤内容待更新

致谢领航者ZYNQ开发板，开启FPGA学习之路！

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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