FPGA学习笔记：RAM IP核的使用方法

理论学习

我们知道除了只读存储器外还有随机存取存储器，这一篇将介绍另一种 存储类IP核 ——RAM的使用方法。RAM是 随机存取存储器 （Random Access Memory），是一个易失性存储器，断电丢失。RAM工作时可以随时从任何一个指定的地址写入或读出数据。

同样的，Altera推出的RAM IP核分为两种类型：单端口RAM和双端口RAM。其中双端口RAM又分为简单双端口RAM（Simple dual port RAM）和真正双端口RAM（True dual port RAM）。对于单端口RAM，读写操作共用一组地址线，读写操作不能同时进行；对于简单双端口RAM，读操作和写操作有专用地址端口（一个读端口和一个写端口），即写端口只能写不能读，而读 端口只能读不能写；对于真正双端口RAM，有两个地址端口用于读写操作（两个读/写端口），即两个端口都可以进行读写。

RAM IP核配置

一端口的配置几乎和rom没有区别

勾选上创建“aclr”异步复位信号以及是否创建“rden”读使能信号

简单双端口和真正双端口都是在双端口中去配置的，配置的选项的定义和ROM中一样

真正双端口的配置除了选择真正双端口以外，其他的选项和简单双端口的配置一样

设计规划

按下按键1时往RAM地址0255里写入数据0255；按下按键2时读取RAM内的数据，从地址0开始每隔0.2s地址加1往下进行读取；再次按下按键1时停止读取重新写入数据0~255；再次按下按键2时从头开始读取数据

一共有5个模块：按键消抖模块（使用两次），RAM控制模块，IP核，数码管动态显示模块，顶层模块。实际需要做的是RAM控制模块

编写代码

ROM控制模块

RAM的写时序为：当RAM写时钟上升沿采到写使能为高时，就能将该上升沿采到的数据写入该上升沿采到的地址中。

RAM的读时序为：当RAM读时钟上升沿采到读使能为高时，就能读出该上升沿采到的地址中的数据。若是我们配置IP核时 没有生成RAM读使能 ，那么RAM就能直接读出读时钟上升沿采到的地址中的数据。

按键1按下key_flag1拉高一个时钟，写使能有效，地址从0-255，写数据从0-255，写完后写使能释放；按键2按下时key_flag2拉高一个时钟，读使能有效，cnt_200开始计数，每0.2s读取一次给出地址对应的数据。读完255后回到0继续读取，如此循环，直至再次按下按键1，则读使能释放，再次写入数据。

若写使能有效时，按下按键2并不能读数据。写使能有效时再次按下按键1，地址归0重新写入。

module ram_ctrl
(
input wire sys_clk , 
input wire sys_rst_n , 
input wire key1_flag , 
input wire key2_flag , 
output reg wr_en , //写RAM使能，高电平有效
output reg rd_en , //读RAM使能，高电平有效
 output reg [7:0] addr , //读写RAM地址
 output wire [7:0] wr_data //写RAM数据
 );


 //parameter define
 parameter CNT_MAX = 9_999_999; //0.2s计数器最大值


 //reg define
 reg [23:0] cnt_200ms ; //0.2s计数器


 //让写入的数据等于地址数，即写入数据0~255
 assign wr_data = (wr_en == 1'b1) ? addr : 8'd0;


 //wr_en:产生写RAM使能信号
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 wr_en <= 1'b0;
 else if(addr == 8'd255)
 wr_en <= 1'b0;
 else if(key1_flag == 1'b1)
 wr_en <= 1'b1;


 //rd_en:产生读RAM使能信号
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 rd_en <= 1'b0;
 else if(key2_flag == 1'b1 && wr_en == 1'b0)
 rd_en <= 1'b1;
 else if(key1_flag == 1'b1)
 rd_en <= 1'b0;
 else
 rd_en <= rd_en;


 //0.2s循环计数
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 cnt_200ms <= 24'd0;
 else if(cnt_200ms == CNT_MAX || key2_flag == 1'b1)
 cnt_200ms <= 24'd0;
 else if(rd_en == 1'b1)
 cnt_200ms <= cnt_200ms + 1'b1;


 //写使能有效时，
 always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
 if(sys_rst_n == 1'b0)
 addr <= 8'd0;
 else if((addr == 8'd255 && cnt_200ms == CNT_MAX) ||
 (addr == 8'd255 && wr_en == 1'b1) ||
 (key2_flag == 1'b1) || (key1_flag == 1'b1))
 addr <= 8'd0;
 else if((wr_en == 1'b1) || (rd_en == 1'b1 && cnt_200ms == CNT_MAX))
 addr <= addr + 1'b1;


 endmodule

输入信号有时钟，复位，按键1标志信号，按键2标志信号，输出信号有写使能，读使能，读写地址，写数据

参数定义：计数器的最大计数值是9_999_999

写入数据和地址一致，用三目运算符进行选择，如果写使能有效，写数据就是地址，无效写数据就为0

写使能信号：复位有效时写使能归0；地址为255时写使能归0；按键1标志信号拉高时写使能拉高

读使能信号：复位有效时读使能归0；按键1标志信号拉高时读使能归0（即使在读数据，写使能有效时优先写入数据）；按键2标志信号拉高且写使能无效时，读信号拉高（写数据优先，写使能无效时才能读数据）；其他情况读使能保持

计数cnt_200ms：复位有效时计数器归0；计数到最大值且按键2标志信号拉高时计数器归0；读使能有效时计数器+1

地址信号：复位有效时地址归0；地址为255且计数到最大值或者地址为255且写使能有效或者按键2标志信号拉高或者按键1标志信号拉高时地址归0；写使能有效或读使能为1且计数到最大值时地址+1

**顶层模块
**

module ram
(
input wire sys_clk , 
input wire sys_rst_n , 
input wire [1:0] key ,
output wire stcp , 
output wire shcp , 
output wire ds 
 );


 //wire define
 wire wr_en ; 
 wire rd_en ; 
 wire [7:0] addr ; 
 wire [7:0] wr_data ; 
 wire [7:0] rd_data ; 
 wire key1_flag ; 
 wire key2_flag ; 


 ram_ctrl ram_ctrl_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key1_flag (key1_flag ), 
 .key2_flag (key2_flag ), 
 .wr_en (wr_en ), 
 .rd_en (rd_en ), 
 .addr (addr ), 
 .wr_data (wr_data ) 
 );


 key_filter key1_filter_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key_in (key[0] ), 
 .key_flag (key1_flag ) 
 );


 key_filter key2_filter_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .key_in (key[1] ), 
 .key_flag (key2_flag ) 
 );


 seg_595_dynamic seg_595_dynamic_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), 
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), 
 .data ({12'd0,rd_data} ), 
 .seg_en (1'b1 ), //数码管使能信号，高电平有效
 .stcp (stcp ), //输出数据存储寄时钟
 .shcp (shcp ), //移位寄存器的时钟输入
 .ds (ds ), //串行数据输入
 );


 //---------------rom_256x8_inst--------------
 ram_256x8 ram_256x8_inst
 (
 .aclr (~sys_rst_n ), //异步清零信号
 .address (addr ), //读写地址线
 .clock (sys_clk ), //使用系统时钟作为读写时钟
 .data (wr_data ), //输入写入RAM的数据
 .rden (rd_en ), //读RAM使能
 .wren (wr_en ), //写RAM使能
 .q (rd_data ) //输出读RAM数据
 );
 endmodule

实际上是几个模块的实例化：ram控制模块，按键消抖模块要实例化两次，第一个模块的key_in对应着key[0]，flag对应key1_flag，第二个模块的key_in对应着key[1]，flag对应key2_flag，数码管动态显示模块将使能信号置1，ram的ip核模块的异步清零信号置为复位信号取反，其他信号名和控制模块中定义的信号名对接

Testbench

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


//wire define
wire stcp;
wire shcp;
wire ds ;
//reg define
reg sys_clk ;
reg sys_rst_n ;
reg [1:0] key ;


//对sys_clk,sys_rst赋初值，并模拟按键抖动
initial
begin
sys_clk = 1'b1 ;
sys_rst_n <= 1'b0 ;
key <= 2'b11;
#200 sys_rst_n <= 1'b1 ;
//按下按键key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[1] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
//按下按键key[0]
#2000 key[0] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[0] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
//按下按键key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[1] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
//按下按键key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[1] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
//按下按键key[0]
#2000 key[0] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[0] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[0] <= 1'b1;//模拟抖动
//按下按键key[1]
#2000 key[1] <= 1'b0;//按下按键
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#200 key[1] <= 1'b1;//松开按键
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b0;//模拟抖动
#20 key[1] <= 1'b1;//模拟抖动
end
//sys_clk:模拟系统时钟，每10ns电平取反一次，周期为20ns，频率为50MHz
always #10 sys_clk = ~sys_clk;


 //重新定义参数值，缩短仿真时间仿真
 defparam ram_inst.key1_filter_inst.CNT_MAX = 5 ;
 defparam ram_inst.key2_filter_inst.CNT_MAX = 5 ;
 defparam ram_inst.ram_ctrl_inst.CNT_MAX = 99;


 //---------------ram_inst--------------
 ram ram_inst
 (
 .sys_clk (sys_clk ), //系统时钟，频率50MHz
 .sys_rst_n (sys_rst_n ), //复位信号，低电平有效
 .key (key ), //输入按键信号
 .stcp (stcp ), //输出数据存储寄时钟
 .shcp (shcp ), //移位寄存器的时钟输入
 .ds (ds ), //串行数据输入
 );
 endmodule

初始化：时钟为高电平，复位为低电平，按键都为高电平表示未按下

延迟200ns后复位释放

延迟2000ns后按下按键2但是模拟抖动，抖动中有200ns的按键是按下状态以便识别并拉高flag

再重复模拟按下按键1，2，2，1，2

重新定义参数，缩短仿真时间

ram模块实例化

波形变化

需要注意的是地址和数据需要用unsigned格式，如果用十进制会出现负数

先按下的是key2，因为还没写入所以读出的q暂时没有数据

按下按键1，写使能拉高，地址和数据都开始+1，且因为正在写数据，读出的q暂时没有数据

地址线和数据255后归0保持0且写使能拉低

写数据后再读数据就能读出数据

管脚分配

和上一篇一样

全编译后上板验证