FPGA设计中，RAM的两种实现方法详解

21ic电子网 2020-11-14 00:00

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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 Quartus II 的LPM功能实现RAM的定制。

软件环境：Quartus II 11.0
操作系统：win7

实现方法一：利用LPM_RAM

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 Quartus II 11.0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，可以在公众号内部获取对应软件安装包；这里超链接一下。

Vivado 2017.2 安装教程（含多版本各类安装包）

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 <stdio.h>#include <math.h>
#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!\r\n"); else { printf("File created successfully!\n"); /* * 生成文件头：注意不要忘了“;” */ fprintf(fp,"DEPTH = %d;\n",DEPTH); fprintf(fp,"WIDTH = %d;\n",WIDTH); fprintf(fp,"ADDRESS_RADIX = HEX;\n"); fprintf(fp,"DATA_RADIX = HEX;\n"); fprintf(fp,"CONTENT\n"); fprintf(fp,"BEGIN\n");
 /* * 以十六进制输出地址和数据 */ for(i=0;i<DEPTH;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\t:\t%x;\n",i,temp); }//end for  fprintf(fp,"END;\n"); 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。

本篇预先生成了一个正弦波的数据文件，TEST1.mif，可以在 Quartus II 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Quartus II 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，各位大侠可以自行查阅资料。

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

对RAM1P.v进行例化，就可以使用，例化方法如下：

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

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 cyclone II 器件，可能会出现错误“Error: M4K memory block WYSIWYG primitive……”，解决办法如下：

【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：