FPGA简单双端口RAM——IP核

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前言

环境：
1、Quartus18.0
2、vscode
3、板子型号：原子哥开拓者2(EP4CE10F17C8)
要求：
使用 Altera RAM IP 核生成一个简单双端口的 RAM，然后对 RAM 进行读写操作，并通过 Modelsim 软件进行仿真及 SignalTap 软件进行在线调试。

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一、双端口 RAM

由前面的单端口学习我们知道RAM IP核分为单端口RAM以及双端口RAM，即RAM IP核的读写端口数。对于单端口，读写共用一对地址线，所以无法同时读写不同地址的数据。对于双端口，读写地址线是分开的，所以具备同时读写能力。

1、简单双端口与真双端口

双端口 RAM 又分为简单双端口 RAM 和真双端口 RAM，顾名思义，简单双端口 RAM 虽然有两个端口，但是一个端口只能用来写，另一个端口只能用来读，所以简单双端口 RAM 也称为伪双端口 RAM。而真双端口 RAM 是指两个端口都可以用来写或者读，可以理解成具有两个独立的单端口的 RAM，一般用于需要多路写入和读出的情况，而不用例化两个单端口的 RAM，在使用上更为方便。

• 简而言之，在都需要读写的情况下，如果需要多路写入、读出的情况则选择真双端口。

2、简单双端口RAM框图

• 模块框图：
  
• 端口框图：
  
• 端口描述：

data：RAM 写数据端口；
wraddress：RAM 写地址端口；
wren：写使能信号，高电平有效；
byteena：字节使能控制，该功能屏蔽了输入数据，这样仅写入数据中指定字节，未被写入的字节保留之前写入的值。当写入数据的位宽为 16 位、18 位、32 位和 36 位时，M9K 模块将支持字节使能，wren 信号以及字节 byteena 信号一起控制 RAM 模块的写操作。byteena 信号在 RAM IP 核创建过程中是可选的，可选择是否使用字节使能控制功能。
wr_addressstall：写地址时钟使能控制，当 wr_addressstall 信号为高电平时，有效地址时钟使能就会保持之前的地址。wr_addressstall 信号在 RAM IP 核创建过程中是可选的，可选择是否使用地址使能控制功能。
wrclock：写时钟；
wrclocken：写时钟使能信号，高电平有效；
aclr：异步复位信号，高电平有效；
rdaddress：RAM 读地址端口；
rden：读使能信号，高电平有效；
q：从 RAM 中读出的数据；
rd_addressstall：读地址时钟使能控制，当 rd_addressstall 信号为高电平时，有效地址时钟使能就会保持之前的地址。rd_addressstall 信号在 RAM IP 核创建过程中是可选的，可选择是否使用地址使能控制功能。
rdclock：读时钟；
rdclocken：读时钟使能信号，高电平有效；

二、 IP核配置

1、RAM双端口 IP 核配置

• 查找RAM IP：
  
• 双击过后添加IP核路径以及命名文件：
  
• 选择端口类型以及存储器大小：

上面的选项是选择简单双端口还是真双端口；下面一个是用于指定存储器大小的单位words or bits。

• 设置RAM的存储深度以及位宽：
  
• 勾选独立时钟以及读使能信号：
  

“What clocking method do you want to use？”：用于设置双端口 RAM 的时钟，此处选择第二个（Dualclock:use separate ‘read’ and ‘write’ clocks），即写端口和读端口选择独立的时钟。
“Create a ‘rden’ read enable signal”：选择是否勾选读使能信号，如果不勾选则一直在读。

• 取消寄存输出信号q:
  

这里如果选中的话，从RAM中读到的q会多延时一个时钟周期输出。

• 保持对RAM的初始化：
  
• 保持默认，next：
  
• 勾选ram_2_inst.v 和 ram_2_bb.v：
  
• 点击finish过后点击YES将IP核添加到工程：
  
• 效果：
  

2、PLL IP 核配置

由于之前的文章早已详细介绍过，这里不在进行赘述：
IP核简介及PLL_IP核的调用

三、源码

我们配置了IP但我们仍然需要写驱动文件去调用他们。

1、ram_wr(写模块)

module ram_wr (
    input               clk         ,
    input               rst_n       ,

    output              ram_wr_en   ,//写使能
    output reg [4:0]    ram_wr_addr ,//写地址
    output reg [7:0]    ram_wr_data  //写数据
);
/*****************
该写模块中，在计数器从0累加到31时向ram写入数据，在到达63后计数器保持不变
该模块只在上电后写入一次
******************/
reg [5:0] wr_cnt;
//写使能在计数到0~31是为高电平
assign ram_wr_en = ((wr_cnt >= 6'd0) && (wr_cnt <= 6'd31) && rst_n) ? 1'b1 : 1'b0;

//计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)begin
        wr_cnt <= 6'd0;
    end
    else if(wr_cnt == 6'd63)
        wr_cnt <=wr_cnt;
    else
        wr_cnt <= wr_cnt + 1'b1;
end

//产生写数据信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        ram_wr_data <= 8'd0;
    else if(wr_cnt >= 6'd0 && wr_cnt <= 6'd31)
        ram_wr_data <= ram_wr_data + 1'b1;
    else
        ram_wr_data <= 8'd0;
end

//写地址信号
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        ram_wr_addr <= 5'd0;
    else if(wr_cnt >= 6'd0 && wr_cnt <= 6'd31)
        ram_wr_addr <= ram_wr_addr + 1'b1;
    else
        ram_wr_addr <= 5'd0;
end
endmodule

2、ram_rd(读模块)

module ram_rd(
    input               clk             ,
    input               rst_n           ,
    input   [7:0]       ram_rd_data     ,//读数据

    output              ram_rd_en       ,//读使能
    output  reg [4:0]   ram_rd_addr      //读地址
);

reg [5:0] rd_cnt;

assign ram_rd_en = ((rd_cnt >= 6'd0) && (rd_cnt <= 6'd31) && rst_n) ? 1'b1 :1'b0;

//读计数器
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        rd_cnt <= 6'd0;
    else if(rd_cnt == 6'd63)
        rd_cnt <= 6'd0;
    else
        rd_cnt <= rd_cnt + 1'b1;
end

//读地址范围
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        ram_rd_addr <= 5'd0;
    else if(rd_cnt >= 6'd0 && rd_cnt <= 6'd31)
        ram_rd_addr <= ram_rd_addr + 1'b1;
    else
        ram_rd_addr <= 5'd0;
end
endmodule

3、ip_2port_ram(顶层文件)

module  ip_2port_ram(
    input     sys_clk   ,
    input     sys_rst_n

);

wire clk_50m;
wire clk_25m;
wire locked;
wire rst_n;

wire       ram_wr_en  ;
wire [4:0] ram_wr_addr;
wire [7:0] ram_wr_data;

wire       ram_rd_en  ;
wire [4:0] ram_rd_addr;
wire [7:0] ram_rd_data;

assign rst_n = sys_rst_n & locked;
//锁相环，用于产生两个时钟
pll_clk pll_clk_inst(
	.areset         (~sys_rst_n),
	.inclk0         (sys_clk),
	.c0             (clk_50m),
	.c1             (clk_25m),
	.locked         (locked)
);
//RAM写模块
ram_wr ram_wr_inst(
    .clk            (clk_50m),
    .rst_n          (rst_n),

    .ram_wr_en      (ram_wr_en  ),//写使能
    .ram_wr_addr    (ram_wr_addr),//写地址
    .ram_wr_data    (ram_wr_data) //写数据
);
//RAM读模块
ram_rd ram_rd_inst(
    .clk             (clk_25m),
    .rst_n           (rst_n),

    .ram_rd_en       (ram_rd_en  ),//读使能
    .ram_rd_addr     (ram_rd_addr), //读地址
    .ram_rd_data     (ram_rd_data)//读数据
);
//简单双端口RAM
ram_2 ram_2_inst(
	.data           (ram_wr_data),
	.rdaddress      (ram_rd_addr),
	.rdclock        (clk_25m),
	.rden           (ram_rd_en),
	.wraddress      (ram_wr_addr),
	.wrclock        (clk_50m),
	.wren           (ram_wr_en),
	.q              (ram_rd_data)
);
endmodule

四、仿真

1、仿真文件

`timescale 1ns/1ns
module tb_ip_2port_ram();

parameter T = 20;

reg    sys_clk;
reg    sys_rst_n;

initial begin
    sys_clk = 1'b0;
    sys_rst_n = 1'b0;
    #(T+1)
    sys_rst_n = 1'b1;
    #(3000)
    $stop;
end

always #(T/2) sys_clk = ~sys_clk;

ip_2port_ram ip_2port_ram_inst(
    .sys_clk        (sys_clk),
    .sys_rst_n      (sys_rst_n)
);
endmodule

2、波形仿真

• 波形分析：

黄线所在时刻既是写使能时刻也是读使能时刻，所以此时既在写又在读。当 ram 地址为 0 时，写入的数据也是 0；当 ram 地址为 1 时，写入的数据也是 1，我们总共向 ram 中写入 32 个数据。ram 中读出的数据 ram_rd_data 在延时一个时钟周期之后，开始输出数据，输出的数据为 0，1，2……，和我们写入的值是相等的

• 波形分析:

只在开始时写入一次，随后不再写入，而是每隔一段时间读取一次

五、SignalTap II在线验证

• 读状态：
  
• 分析：

ram_rd_en（读使能）信号拉高之后，ram_addr 从 0 开始增加，也就是说从 ram 的地址 0 开始读数据；ram 中读出的数据 ram_rd_data 在延时一个时钟周期之后，开始输出数据，输出的数据为 0，1，2……，和我们写入的值是相等的。与仿真结果一致。并且每隔一段时间读一遍。

• 写状态：

额，这里的写状态波形不知道怎的抓不到波形，这里因为写只是上电后写一次，后面不需要再写了，所以我设置了一个上升沿为触发条件，但他还是没有波形。应该是SignalTap II的使用还不太熟练，不太熟悉一些更复杂的操作。

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六、总结

今天的实验是在昨天的单端口之上的另一内容，简单双端口可以同时进行读写，比单端口更加丰富。通过这次实验对IP核的配置越发熟练，每天都有在进步！

七、参考资料

以上资料均来自正点原子的教学视频或开拓者2开发教程：原子官方