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

作者： ALINX
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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：

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。

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。