FPGA学习日记-逻辑设计（BRAM、FIFO、DDR）

简介

FPGA主要的几种功能：逻辑设计（接口），协议（总线、通信协议），处理器架构，算法加速实现，从ASIC到FPGA的原型验证。

FPGA逻辑设计

1.BRAM资源使用

1.BRAM

BRAM IP核使用

这个比较简单，配置好单双口，用地址+wr_en写/rd_en读即可。读的时候会延迟1-2clk送出数据，这可以通过ip核控制修改。BRAM IP核本质是使用寄存器堆的概念，使用mem类型来存储数据，因此需要延迟最少1clk。

2.FIFO

fifo是高电平复位！（asic才是异步，低电平复位） 复位之后一段时间40ns内无法读写。

FIFO IP核使用

fifo ip核的empty端口要在读时钟有的时候才能正常输出。也就是说，fifo复位后empty初始为高电平，只有在有读时钟的时候，empty端口才能正常输出。否则，如果没有读时钟，即使成功写入数据，empty依然输出高电平。

prog_full 可以比full信号早几个clk拉高，almost_full比full早一个clk拉高。（高电平有效）

关于empty信号问题：（高电平有效）
看IP SPEC默认不设置的话，复位full，empty信号都会拉高一段时间（3clk），复位信号完成同步以后，**读完1次fifo,empty信号才会工作。（对于full来说是写完一次fifo开始工作)。**所以在没有读之前emtpy其实是无效的。

empty是有延时的，如下图所示。具体可以看：xilinx论坛

手撸FIFO代码

参考代码1

参考代码2

用格雷码和两级D触发器来消除亚稳态。两级触发器代码如下：

//将读指针rp同步到写时钟域
always@(posedge wr_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{wr2_rp,wr1_rp} <= 0;
　　else
　　　　{wr2_rp,wr1_rp} <= {wr1_rp,rp};

//将写指针wp同步到读时钟域
always@(posedge rd_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{rd2_wp,rd1_wp} <= 0;
　　else
　　　　{rd2_wp,rd1_wp} <= {rd1_wp,wp};

二进制转格雷码：

assign  gray_code = (bin_code>>1)  ^  bin_code;

使用gray码解决了一个问题，但同时也带来另一个问题，即在格雷码域如何判断空与满。
这里直接给出结论：
　　判断读空时：需要读时钟域的格雷码rgray_next和被同步到读时钟域的写指针rd2_wp每一位完全相同;
　　判断写满时：需要写时钟域的格雷码wgray_next和被同步到写时钟域的读指针wr2_rp高两位不相同，其余各位完全相同；

其中第二篇文章出处: 异步fifo的verilog实现 值得好好学习。下图为异步fifo图。

其中代码如下：assign 得到next信号，然后块语句中得到当前信号，值得玩味。

module  fifo
#(
　　parameter WSIZE = 8;
　　parameter DSIZE = 32;
)
(
　　input wr_clk,
　　input rst,
　　input wr_en,
　　input [WSIZE-1 : 0]din,
　　input rd_clk,
　　input rd_en,
　　output [WSIZE-1 : 0]dout,
　　output reg rempty,
　　output reg wfull
);

//定义变量
reg [WSIZE-1 :0] mem [DSIZE-1 : 0];
reg [WSIZE-1 : 0] waddr,raddr;
reg [WSIZE : 0] wbin,rbin,wbin_next,rbin_next;
reg [WSIZE : 0] wgray_next,rgray_next;
reg [WSIZE : 0] wp,rp;
reg [WSIZE : 0] wr1_rp,wr2_rp,rd1_wp,rd2_wp;
wire rempty_val,wfull_val;

//输出数据
assign dout = mem[raddr];

//输入数据
always@(posedge wr_clk)
　　if(wr_en && !wfull)
　　　　mem[waddr] <= din;

//1.产生存储实体的读地址raddr; 2.将普通二进制转化为格雷码，并赋给读指针rp
always@(posedge rd_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{rbin,rp} <= 0;
　　else
　　　　{rbin,rp} <= {rbin_next,rgray_next};

assign raddr = rbin[WSIZE-1 : 0];
assign rbin_next = rbin + (rd_en & ~rempty);
assign rgray_next = rbin_next ^ (rbin_next >> 1);

//1.产生存储实体的写地址waddr; 2.将普通二进制转化为格雷码，并赋给写指针wp
always@(posedge wr_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{wbin,wp} <= 0;
　　else
　　　　{wbin,wp} <= {wbin_next,wgray_next};

assign waddr = wbin[WSIZE-1 : 0];
assign wbin_next = wbin + (wr_en & ~wfull);
assign wgray_next = wbin_next ^ (wbin_next >> 1);

//将读指针rp同步到写时钟域
always@(posedge wr_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{wr2_rp,wr1_rp} <= 0;
　　else
　　　　{wr2_rp,wr1_rp} <= {wr1_rp,rp};

//将写指针wp同步到读时钟域
always@(posedge rd_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　{rd2_wp,rd1_wp} <= 0;
　　else
　　　　{rd2_wp,rd1_wp} <= {rd1_wp,wp};

//产生读空信号rempty 这个很重要！！！
assign rempty_val = (rd2_wp == rgray_next);
always@(posedge rd_clk or negedge rst_n)
　　if(rst_n)
　　　　rempty <= 1'b1;
　　else
　　　　rempty <= rempty_val;

//产生写满信号wfull  这个很重要！！！
assign wfull_val = ({~(wr2_rp[WSIZE : WSIZE-1]),wr2_rp[WSIZE-2 : 0]} == wgray_next);
always@(posedge wr_clk or negedge rst_n)
　　if(!rst_n)
　　　　wfull <= 1'b0;
　　else
　　　　wfull <= wfull_val;

endmodule

这里分析一下，为什么 判断写满时：需要写时钟域的格雷码wgray_next和被同步到写时钟域的读指针wr2_rp高两位不相同，其余各位完全相同

读写指针都是指向下一个要读写的数据位置，所以可以提前判断空满。

例如：读指针01100（8），写指针00100（7）走了一圈后，标志位为1=>10100（15+7）；
这时候，写指针追上了读指针，full信号需要拉高。高二位相反，其余位相同。
但是按二进制的判断（只看最高位不同）是不行的，因为格雷码是镜像的，除了最高位不同，次高位也不同。01100（8）和10100（15+7）

写指针00000（0），走了一圈后，11000（15+0），读指针00000（0），这时候写满。

再如：写指针10000（15+1），读指针01000（15），读了一步之后10000（15+1）。两个指针完全相同，所以读空。

写指针0011（2），读指针0001（1），读了一步之后0011（2），两个指针完全相同，读空（在二进制的时候，rp=wp-1才对）

2.常见接口协议

1.DDR

建议先了解下DDR原理：DDR3驱动原理与FPGA实现

DDR中的 突发长度概念:
其实突发就是一次连续读几个clk，一般是1，2，4，8的突发长度，其实和计算机体系结构有点关系，地址+偏移地址寻址（是不是有点感觉）
一个存储阵列称为一个bank，一个内存一般4个bank。

目前内存的读写基本都是连续的，因为与CPU交换的数据量以一个Cache Line（即CPU内Cache的存储单位）的容量为准，一般为64字节。而现有的P-Bank位宽为8字节，那么就要一次连续传输8次，这就涉及到我们也经常能遇到的突发传输的概念。突发（Burst）是指在同一行中相邻的存储单元连续进行数据传输的方式，连续传输的周期数就是突发长度（Burst Lengths，简称BL）。

emmm，还是看原创比较香，DDR3原理

DDR3 IP核使用。

了解下DDR时序：
使用Vivado 2015.4在Nexys4 DDR开发板上实现DDR的读写例程

vivado2018.1 保留了ISE的IP核创建形式（略有不同）
DDR3的简述，IP核的建立和时序

vivado2019.1 和ISE的IP核创建形式（不太一样了）
VIVADO 中mig IP的调用与仿真环境的搭建

选择2500ps,400Mhz是DDR3的工作频率，4：1指这时候芯片主时钟以100Mhz运行。

哎，看了那么多资料（包括csdn,文库介绍，也查找了ddr的ip核手册，还是不会）（找到代码，也很难入手）

最后跟着一个博主：（有点感觉了，对小白友好）DDR3。但是这篇博客并没有实际地使用ddr3。只是给出了控制ddr3的方法。同时引发了我的思考，实际上控制ddr3的方式有很多，弄懂其中的道理即可，没有必要看太多的文章（每篇文章讲的都不一样，越看越懵）。

DDR2 IP核（nexys4)

vivado 中mig使用

nexys4 资料下载地址

在填入ddr的ucf时遇到了一个bug:

ERROR : The port ddr2_ck_n[0] is allocated in the bank 34 where the input ports are allocated. 
Enable the Internal Vref to use the Vref as GPIO.

ERROR : The port <b>"ddr2_dq[7]"</b> is the <b>"inout"</b> port.
 Enable the Internal Vref to use the Vref pin as GPIO.

查xilinx社区，发现：

对于以800 Mb / s（400 MHz）或更低的速度运行的DDR3 SDRAM接口，用户可以选择内部VREF保存两个I /O引脚或使用外部VREF。包含DDR3接口输入引脚（DQ / DQS）的存储体需要VREF。

7系列MIG工具在FPGA选项屏幕上包括一个内部VREF选项。选择此选项可正确设置UCF约束以启用内部Vref。

回退mig设置，才发现，有个 Internal VREF 的选项没有打勾。勾上后一切ok!

这里提供 xilinx地址

2.I2C

先放个帖子，（CSDN上太多只能仿真的，或者编码风格不良的）不知道有没有用 ：I2C