FPGA从入门到精通(3) - DRAM

所使用EDA软件：VIVADO2019.1.3

FPGA型号：xc7a35tcsg325-2

看完这篇文章你将收获以下内容：

• 理解SLICEL,SLICEM最本质的区别。
• 理解什么是单端口DRAM,双端口DRAM，简单双端口DRAM，以及四端口DRAM，SRL。
• 通过对比调用DRAM 原语/IP产生DRAM的结果与直接运用Verilog来产生RAM的结果来加深DRAM的认识。
• 通过对比调用SRL原语/IP产生DRAM的结果与直接运用Verilog reg来产生RAM的结果来加深DRAM的认识。

 

好的进入正题，今天我来带大家认识LUT的另一种形态，DRAM（Distributed RAM，翻译为分布式随机存储器，而不是我们平时看到的动态随机存储器）。在上一节课中，我们讲到LUT6可以用作64bit的ROM（Read Only Memory），ROM里面的内容是只读的，因此它里面的内容在我们将bit文件烧录到FPGA中就已经确定好的了，无法修改。

有没有方法将LUT6里面的内容修改呢，有在XILINX 7系中，有两种SLICE。分别为SLICEL，和SLICEM。SLICEM 除了具备完整的SLICEL功能之外，它还具有写存储数据功能。结构决定功能，那么SLICEM与SLICEL是结构上存在哪些不同,我们通过图1进行对比一下。我们可以看到，两者只有红框里的LUT6是不同的，其他结构完全一样。

图一：左边为SLICEM,右边为SLICEL

接下来我们分别将两者的LUT6结构放大进行进一步对比。两者的LUT6相同点和不同点如下：

相同点：都具有地址输入线（A1-A6）,两个输出口（O5-O6）。

不同点：SLICEM的LUT6具有写地址输入线（WA1-WA8）,写数据端（DI1 DI2）,写使能端（WE），而SLICEL的LUT6没有。

因此SLICEM的LUT6可以读写存储数据，而SLICEL的LUT6只能读数据不能写。这就是为什么SLICEM的LUT6可以做RAM,而SLICEL的LUT6只能做ROM。

图2：左为SLICEM的LUT6,右为SLICEL的LUT6

 

从图1 中我们可以看到，1个SLICEM中有4个LUT6，它们可以单独使用或者组合使用来形成多种形态的DRAM。如：

• 32 x1 或 64x1的单端口DRAM  （占用1个LUT6）
• 32 x1 或 64x1的双端口DRAM  （占用2个LUT6 )
• 32 x6 或 64x3的简单双端口DRAM（占用4个LUT6）
• 32 x2或 64x1的四端口DRAM   （占用4个LUT6）

除此之外这些LUT6还可以配合MUX来使用组成更大深度的DRAM如：

• 128 x 1 的单端口DRAM（占用2个LUT6+1个MUX）
• 128 x 1 的双端口DRAM （占用4个LUT6+2个MUX）
• 256 x 1 的单端口DRAM （占用4个LUT6+3个MUX）

以下是单端口DRAM、双端口DRAM、简单双端口DRAM、四端口DRAM的读写特性（下面图中，所有的的寄存器都是SLICE中四大件（LUT ,MUX,进位链，寄存器）的寄存器，不是DRAM内部结构，有关寄存器的内容在后面章节会讲） ：

• 单端口DRAM：同步读，同步写（均以A[5:0]为输入地址），结构如图3所示。D为数据输入，O为数据输出，WCLK为同步时钟，WE为写使能（当要写数据到DRAM时置高，当要从DRAM中读数据时置低）

图三：单端口DRAM结构

• 双端口DRAM : 一个端口(A[5:0]为地址输入)可同步写，异步读。另一个端口（DPRA[5:0]为输入地址）只能异步读,其结构如图4所示。两个LUT6中存放着相同的数据，其实上面的LUT6就是一个单端DRAM，它的输出（SPO）取决于输入地址A[5:0]。下面的LUT6的不同之处就是它的输入端口A[6:1]连的是DRPA[5:0],因此它的输出取决于地址DPRA[5:0]。

图四：双端口DRAM结构

• 简单双端口DRAM:一个端口（WADDR为地址输入地址）只可同步写，另一端口（RADDR为地址输入）只能异步读。在64x3简单双端口DRAM(图5)中，3个数据输入口DATA[3:1]并行输入，3个数据输出口O[3:1]并行输出。在32x6简单双端口DRAM（图6）中，6个数据输入口DATA[6:1]并行输入，6个数据输出口O[6:1]并行输出。

图5：64x3简单双端口DRAM

图6：32x6简单双端口DRAM

 

 

• 四端口DRAM: 一个端口(ADDRD为地址输入)可同步写，异步读。另外三个端口（ADDRA,ADDRB,ADDRC为输入地址）只能异步读。结构与双端口DRAM相似，4个LUT所存放着着相同的数据，只不过每个端口都可以单独读不同地址的内容。

图7：四端口DRAM

 

• 128x1单端口DRAM（图8），它由2个64x1单端口DRAM+1个MUX组成，结构与上一章2个LUT5组成1个LUT6类似，不同之处就是这里只有一个输出口O。要注意：这里的MUX是SLICE中四大件（LUT ,MUX,进位链，寄存器）中的MUX，不是LUT6中的MUX。

图8：128x1单端口DRAM

• 32位移位寄存器，SRL32E(图9)。它支持最高32位的移位输出，可以选择普通数据（D）输入，也可以选择由上一级SRLC32E的SHIFTOUT作为输入。如果想用SRLC32E做12位移位输出，只需要将A[4:0]设置为5'd12，移位输出结果在SHIFTOUT口输出，与此同时O6也将会输出地址5'd12的结果，相当于一个32x1单端口DRAM（这地址是对于SRLC32E外部接口A[4:0]来说的，对于SRL32内部来说它是将高5位地址A[6:2]设为5'd12）。特别注意：SRLC32E只能在同一时钟域使用，不能做跨时钟域打拍使用，因为它内部移位操作不是用32个级联的触发器来做的，而是将上一级的电荷转移到下一级，如果第一级发生出现亚稳态，它将会一直传递到最后一级。

图9：SRLC32E

• SRL32E级联为64位移位寄存器（图10） ，上一级的SHIFTOUT输出连到下一级的SHIFTIN输入即可。如果要实现它64x1单端口DRAM功能，需要额外增加一个MUX。可以参考128x1单端口DRAM（图8）的情况，这里不加以累赘。

图10：SRL32级联组成64位移位寄存器

 

下面我将通过实例来讲解SLICE中的DRAM和 移位寄存器。

单端口DRAM，使用verilog 中的reg来写（例1），综合后一共耗费了54个LUT6,64个寄存器，8个MUX_F7,4个MUX_F4，肯用那么多资源去写一个64x1的DRAM十有八九是土豪。当然造成资源使用过多有可能是我写法比较随意，vivado优化不了，在这里不细纠。

//以下是例1
module dram64_1(
    input clk,  //input clk
    input [5:0]a, //input address
    input d,    //input data
    input wr_en,//input write enable
    output o//output 
);


//这种写法结果和使用DRAM原语一样，但是会耗费很多资源，当然EDA软件机智点也是可以优化成只用一个LUT的
reg dram64x1 [63:0] ;

always@(clk)
begin
    if(wr_en)
    begin
        dram64x1[a]<=d; 
    end      
end

assign o=dram64x1[a];

endmodule

 

单端口DRAM，使用verilog 中的原语来写（例2），综合后一共使用了1个LUT6，资源利用率十分亲民。

//以下是例2
module dram64_1(
    input clk,  //input clk
    input [5:0]a, //input address
    input d,    //input data
    input wr_en,//input write enable
    output o//output 
);

   RAM64X1S #(
      .INIT(64'h0000000000000000) // Initial contents of RAM
   ) RAM64X1S_inst (
      .O(o),        // 1-bit data output
      .A0(a[0]),    // Address[0] input bit
      .A1(a[1]),   // Address[1] input bit
      .A2(a[2]),      // Address[2] input bit
      .A3(a[3]),      // Address[3] input bit
      .A4(a[4]),      // Address[4] input bit
      .A5(a[5]),      // Address[5] input bit
      .D(d),        // 1-bit data input
      .WCLK(clk),  // Write clock input
      .WE(wren)       // Write enable input
   );

endmodule

接下来我将对例(1),例(2)进行仿真，由于我们的例(1),例(2)的顶层的输入输出是一样的，所以两者的testbench一模一样，我们往地址0~15依次写入1111_0000_0000_1111。图11为例(1)仿真结果，两个红色框中输入d的内容和输出o的内容是一样的。至于蓝色框出现不定态x,是因为我没有将例(1)中的RAM初始化。图12为例(2)的仿真结果，结果与例(1)类似,这里写入时，o的输出为我们预先写入的初始值0。

//以下是例(1),例(2)的仿真测试用例
`timescale 1ns / 1ps
module dram64_1_tb(
    );
reg clk;
reg [5:0]a;
reg d;
reg wr_en;
reg [5:0]i;
wire o;

dram64_1 dram64_1_inst(.clk(clk),.a(a),.d(d),.wr_en(wr_en),.o(o));

initial begin
    clk=1'b1;
    a=6'h0;
    d=1'b1;
    wr_en=1'b1;
    i=6'h0;
    
end

always  begin
    #10 clk=~clk;
end

always@(posedge clk)begin
    i<=i+6'b1;
end

always@(posedge clk)begin
            if(i<16)begin
               wr_en<=1'b1;
               a<=i;
               case(i)
                   0,1,2,3:begin  d<=1'b1;end
                   4,5,6,7:begin  d<=1'b0;end
                   8,9,10,11:begin  d<=1'b0;end
                   11,12,13,14,15:begin  d<=1'b1;end 
               endcase
             end
             else  begin
                wr_en<=1'b0;
                a<=i-16;
             end
 end 

endmodule

 

图11：例(1)的仿真结果

图12：例(1)的仿真结果

例(3)是用SLICEM中的SRLC32E来做成32位移位寄存器，总共使用了1个LUT。它所谓的移位就是将上一级的电荷转移到下一级。如果电荷只有二分之一的高电平，它输出也是二分之一的高电平，这样很容易将逻辑错误传递下去，具体内容我会在有关亚稳态的章节讲。

​
module shift(
    input clk,
    input ce,
    input shift_in,
    input [4:0] a,
    output Q,
    output shift_out
    );

   SRLC32E #(
      .INIT(32'h00000000) // Initial Value of Shift Register
   ) SRLC32E_inst (
      .Q(Q),     // SRL data output
      .Q31(shift_out), // SRL cascade output pin
      .A(a),     // 5-bit shift depth select input
      .CE(ce),   // Clock enable input
      .CLK(clk), // Clock input
      .D(shift_in)      // SRL data input
   );
endmodule

​

例(4)是用SLICE中的reg来做32位移位寄存器(为避免综合成SRLC32E，要在reg前使用(* SHREG_EXTRACT = “no” *)语句，否则会被VIVADO优化成用SRLC32E)， 它总共使用了9个LUT ,32个移位寄存器，4个MUX_F7。

module shift(
    input clk,
    input ce,
    input shift_in,
    input [4:0] a,
    output Q,
    output shift_out
    );
(* SHREG_EXTRACT = "no" *)reg [31:0] dff;

always@(posedge clk) begin
    if(ce) begin
       dff[31:0]<={dff[30:0],shift_in}; 
    end    
end

assign shift_out=dff[31];
assign Q=dff[a];
endmodule

接下俩我们对例(3)，例(4)进行仿真。我们在测试用例中每个时钟（周期10ns）上升沿依次写入10101010。。。（记住，第一个数是1）。忽略寄存器未初始化所带来的不定态，正常来说我们会在第32拍得到移位后的结果10101010。。。我们可以看到例(3)仿真结果(图13)在310ns时输出第一个1，但是例(4)仿真结果(图14)在330ns时才输出第1个1，那么哪一个才是对的呢？对此我个人理解例(3)的仿真结果是正确的，在0ns的时候我们可以看到shift_in是0，而不是我们的初始值1，因此寄存器已经在0ns时打了1拍，在310ns输出1，刚好打了32拍。例(4)与预期不符的原因应该是仿真工具在0ns中没有打拍，而是在10ns时打第一拍(初学者应注意：10ns时的输入应该10ns前已经稳定好的那个数值，不是10ns下面所对应的数值)，此时输入时0，所以在打第32拍（320ns）时输出是0。

`timescale 1ns / 1ps
module top_tb(

    );
    
    reg clk;
    reg ce;
    reg shift_in;
    reg [4:0] a;
    wire Q;
    wire shift_out;

shift shift_inst(.clk(clk),.ce(ce),.shift_in(shift_in),.a(a),.Q(Q),.shift_out(shift_out));
initial
begin
    clk=1;ce=1;shift_in=1;a=5'd31;
end

always
begin
    #5 clk=~clk;
end

always@(posedge clk)
    shift_in<=~shift_in;
    
endmodule

图13：例(3)的仿真输出结果

 

图14：例4的仿真结果

       在实际的应用过程中，我们不可能只用到宽度只有几位的输入，我们不可能例化多个原语来将多个64x1DRAM单元拼在一起，也不太推荐直接用verilog语句定义寄存器的方式去写。此时我们应该学会使用与DRAM有关的IP，来自定义不同深度不同位宽的DRAM。下面我简单介绍一下VIVADO 中 DRAM IP的使用(生成 64x16的简单双端口RAM)。

• 在VIVADO工程下点击打开IP Catalog->搜索RAM->找到Distributed Memory Generator 并点击打开。(图15)

图15:DRAM IP 生成步骤1

•  在memory config ，先给这个IP起个帅气，让你印象深刻的，有代表意义的名字，如 SDP。然后再设置深度为64，宽度16。再将Memory Type设置为Simple dual port。如果有需要添加输入输出寄存器的话在Port config中设置，如果要初始化DRAM的值我们在RST&Initialization中设置，这里我们暂时没这需要，直接点OK就行(图16)
  图16:DRAM IP生成步骤2

 

• 期间有OK点OK，然后选择Out of context per IP（Global和Out of context per IP的区别就是一个随整个工程一起编译，另一个是作为一个模块单独编译），点击Generate等待IP编译完成。(图17)

图17:DRAM IP生成步骤3

• 最后在IP SOURCE 中点击SDP->Instantiation Template-> SDP.veo(veo 为verilog，vho为vhdl)打开SDP这个IP的模板，并复制到自己的工程，根据需求自己做相应的修改。(图18)

图18:生成DRAM IP步骤4

好的本章节的内容就到这里。记住本章节的DRAM 是 Distributed RAM 不是Dynamic RAM ！！！

最后安利下我的公众号，内容会在本周末上线。

谢谢客官大老爷，点个赞再走呗(●'◡'●)

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