FPGA片内RAM读写测试实验

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前言

本节讲述一下 FPGA 片内 RAM 的仿真与测试，我们也知道 RAM 是随机存储器，顾名思义是一种存储数据的一种模块，说到随机呢，也就是我们可以任意的访问它里面的一些地址空间里面的数据。

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。

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一、创建及配置工程

1、创建工程

新建一个 ram_test 的工程

2、添加 RAM IP核

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、Basic 选项栏按照下图进行配置

• Interface Type：接口类型，选择 Native
  • 在 XILINX 的 FPGA 上想要实现一个存储器，一般有两种方式：第一种是自己使用 FPGA 的逻辑资源自己设计；第二种是使用 XILINX 专用的 Block Memory Generator(BMG)。针对 BRAM 的资源形式，XILINX 提供了两种接口类型：Native 和 AXI4。这两种核的主要特点如下表。
    
• Memory Type：存储器类型，选择 Simple Dual Port RAM
  • Native 端口的内存类型共有五种，区别如下表
  • Simple Dual Port RAM 的写时序如下
    • 当写使能有效时（高电平），在时钟的上升沿将指定数据写入到指定地址
  • Simple Dual Port RAM 的读时序如下
    • 读的时候是有一定延时的，如果在同一个时钟下面我们去采集这个有效的输出数据的时候，我们是需要在下一个周期才能采集到它的一个有效的数据
      

③、Port A Option 选项栏按照下图进行配置
按照这样设置，也就是说可以存储 512 个 16 位数据

• Port A Width（数据宽度）：端口 A 的宽度，这里我们设置 16 位宽
• Port A Depth（RAM 里可以存放多少个数据）：端口 A 的深度，我们这里设置 512
• Enable Port Type：Always Enable，保持一直使能，这样我们就不需要去控制它了

④、Port B Option 选项栏按照下图进行配置

• Port B Width（数据宽度）：端口 B 的宽度，这里我们设置 16 位宽
• Enable Port Type：Always Enable（端口 B 的使能保持一直开启）
• Primitives Output Register（基元输出寄存器）：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。

关于其它更多的设置可以参照 XILINX 的官方文档《Block Memory Generator v8.4 LogiCORE IP Product Guide》

⑤、Other Options 保持默认配置即可

• Load Init File 是我们可以初始化一些文件放在 RAM 里面，也就是说 FPGA 上电之后会把你预先存好的这些数据加载到 RAM 里面

⑥、点击 OK，再点击 Generate，生成 RAM IP

3、添加 ILA IP 核

①、点击左侧 PROJECT MANAGER 栏 –> IP Catalog 或者菜单栏下 Window –> IP Catalog 然后在右侧出现的 IP Catalog 窗口下搜索 ILA，双击选择 Debug 下的 ILA 进行 IP 配置操作步骤如下图所示

②、General Option 添加两个探针去采集我们读的地址和数据，采样数据的长度我们设置大一些，如下图所示

③、Probe_Ports(0…7) 中PROBE0 用来采集9 位地址，PROBE1 用来采集 16 位数据，如下图所示

④、点击 OK，再点击 Generate，生成 ILA IP

二、程序编写

编写程序之前我们先介绍下我们涉及到哪些信号

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。

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 。

1、新建测试程序

新建 ram_test.v 源文件并将下面的程序块拷贝过去
ram_test.v

`timescale 1ns / 1ps

module ram_test(
    input clk,					// 50 MHz 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

// ************************************************************************
// ** main
// ************************************************************************

// 产生RAM PORTB读地址，读的地址 + 1，模拟写的地址滞后一个周期
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if( !rst_n )
        r_addr <= 9'd0;
    else if( |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 or negedge rst_n) begin
    if( !rst_n )
        wea <= 1'b0;
    else begin
        if( &w_addr )				// w_addr 的 bit 位全为1，共写 512 个数据，写入完成
            wea <= 1'b0;
        else
            wea <= 1'b1;			// ram 写使能
    end
end

// 产生RAM PORTA写入的地址及数据
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if( !rst_n ) begin
        w_addr <= 9'd0;
        w_data <= 16'd1;
    end
    else begin
        if( wea ) begin				// ram 写使能有效
            if( &w_addr ) begin		// w_addr 的 bit 位全为 1，共写入 512 个数据，写入完成
                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_instance (
  .clka(clk		),			// input wire clka
  .wea(wea			),      // input wire [0 : 0] wea
  .addra(w_addr		),  	// input wire [8 : 0] addra
  .dina(w_data		),    	// input wire [15 : 0] dina
  .clkb(clk		),    		// input wire clkb
  .addrb(r_addr		),  	// input wire [8 : 0] addrb
  .doutb(r_data		)  		// output wire [15 : 0] doutb
);

// 实例化 ila 逻辑分析仪
ila_0 ila_0_instance (
	.clk(clk), 				// input wire clk
	.probe0(r_addr), 		// input wire [8:0]  probe0  
	.probe1(r_data) 		// input wire [15:0]  probe1
);

endmodule

2、新建仿真文件

新建 vtf_ram_tb.v 仿真文件并将下面的程序块拷贝过去
vtf_ram_tb.v

`timescale 1ns / 1ps

module vtf_ram_tb;
// Inputs
reg clk;
reg rst_n;

// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
ram_test uut (
	.clk 	(clk),
	.rst_n 	(rst_n)
);

initial 
begin
	// Initialize Inputs
	clk = 0;
	rst_n = 0;
	
	// Wait 100ns for global reset to finish
	#100;
		rst_n = 1;
end

always #10 clk = ~clk;	// 20ns 一个周期，产生 50MHz 时钟源

endmodule

三、进行仿真

①、点击 Run Simulation -> Run Behavioral Simulation，进行仿真

②、将 RAM 里面相关信号拖拽进观察窗口
（clocka 和 clockb 用的就是系统时钟，因此这里无需拖入到观察窗口）

③、设置个 200us 跑一下

④、分析波形

开始的波形信息
可以看到读地址是滞后于写地址的一个时钟周期的，读出的数据是滞后于写地址的一个时钟周期的

结束的波形信息
我们这里把这些信号以 10 进制方式进行查看
可以看到最后写的一个地址是 511，写入的内容是 512，最后读的一个地址是 511，读取的内容是 512

可以发现我们的写只写第一，而读一直在进行。

四、下载到 FPGA

1、引脚约束及时序约束

rst_n -> T11
clk -> U18

新建引脚约束文件 ram.xdc，将下面语句拷贝过去并保存

set_property PACKAGE_PIN T11 [get_ports rst_n]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]
set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]

create_clock -period 20.000 -name clk -waveform {
    
    0.000 10.000} [get_ports clk]

2、生成比特文件

点击 “Generate Bitstream”，直接生成 bit 文件

3、下载程序

连接上 JTAG 以及电源线，将板子上电，下载程序

4、逻辑分析仪分析波形

以 10 进制方式查看读取的内存及数据，设置触发条件为 “读取的地址为 0”，可以看到读取地址 0 的数据为 1，读取地址 511 时的数据为 512，可见满足了预期结果。

五、资源自取

FPGA片内RAM读写测试实验

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