FPGA设计中的RAM的两种实现方法

大家好，又到了每日学习的时间了，今天我们来聊一聊在FPGA设计中RAM的两种使用方法，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。

如何生成mif文件？如下：

mif文件就是存储器初始化文件，即memory initialization file，用来配置RAM或ROM中的数据。生成QuartusII11.0可用的mif文件，有如下几种方式：

方法A：利用Quartus自带的mif编辑器

优点：对于小容量RAM可以快速方便的完成mif文件的编辑工作，不需要第三方软件的编辑；

缺点：一旦数据量过大，一个一个的输入会使人崩溃；

使用方法：在quartus中，【file】/【new】，选择Memory Initialization file，弹出如下窗口：


Number of words：可寻址的存储单元数，对于8bit地址线，此处选择256；

words size：存储单元宽度，8bit；

然后点击“OK”.


* 在表格中输入初始化数据；
* 右键单击左侧地址值，可以修改地址和数据的显示格式；
* 表中任一数据的地址=列值+行值，如图中蓝色单元的地址=24+4=28；

对每个单元填写初始值之后，将文件保存即可。


方法B：利用mif软件来生成

无论使用什么编辑器，必须保证mif文件的格式如下：冒号左边是地址，右边是数据；分号结尾；

DEPTH = 256;

WIDTH = 8;

ADDRESS_RADIX = HEX;

DATA_RADIX = HEX;

CONTENT

BEGIN

0000 : 0000;

0001 : 0000;

0002 : 0000;

……(此处省略一千字*.*)

00FA : 00FF;

00FB : 00FF;

00FC : 00FF;

00FD : 00FF;

00FE : 00FF;

00FF : 00FF;

END;

这里推荐一款mif生成器：Mif_Maker2010.exe，可以百度下载；软件使用方法见如下：
1.打开软件，【文件】/【新建】；
2.设置全局参数：




3.生成波形：

以生成正弦波为例：【设定波形】/【正弦波】


4.修改波形：

【手绘波形】/【线条】，鼠标左键选择两个起点，鼠标右键结束，即可绘制任意波形。

绘制完毕后，再次选择【手绘波形】/【取消手绘】，结束绘制状态；


5.保存文件。

方法C：使用高级语言

用C语言或者matlab语言等来生成，C语言生成代码如下：本代码生成一个正弦波的数据波形，保存在TestMif.mif中。
#include
#include

#define PI 3.141592
#define DEPTH 128 /*数据深度，即存储单元的个数*/
#define WIDTH 8 /*存储单元的宽度*/

int main(void)
{
int i,temp;
float s;

FILE *fp;
fp = fopen("TestMif.mif","w"); /*文件名随意，但扩展名必须为.mif*/
if(NULL==fp)
printf("Can not creat file! ");
else
{
printf("File created successfully! ");
/*
* 生成文件头：注意不要忘了“;”
*/
fprintf(fp,"DEPTH = %d; ",DEPTH);
fprintf(fp,"WIDTH = %d; ",WIDTH);
fprintf(fp,"ADDRESS_RADIX = HEX; ");
fprintf(fp,"DATA_RADIX = HEX; ");
fprintf(fp,"CONTENT ");
fprintf(fp,"BEGIN ");

/*
* 以十六进制输出地址和数据
*/
for(i=0;i {
/*周期为128个点的正弦波*/
s = sin(PI*i/64);
/*将-1～1之间的正弦波的值扩展到0-255之间*/
temp = (int)((s+1)*255/2);
/*以十六进制输出地址和数据*/
fprintf(fp,"%x : %x; ",i,temp);
}//end for

fprintf(fp,"END; ");
fclose(fp);
}
}

验证生成的数据是否正确：用记事本打开生成的mif文件，同时用Quartus打开mif文件，内容如下：


能成功导入，且数据一致，说明生成正确。

前面的推荐的软件的使用方法以及mif文件生成完毕后，开始接下来的设计。

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，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，方法二比方法一相比，占用了很多的LE，同时还使用了1024个register，故方法二是十分不经济的，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，建议使用方法一来构建RAM。

今天就聊到这里，各位， 加油。