FPGA实现RAM--LPM_RAM

我们知道，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。

　　该文件的生成方法见《如何生成mif文件》;

　　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，博主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2比方法1相比，占用了很多的LE，同时还使用了1024个register，故方法2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1来构建RAM。