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。
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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);
}
}
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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 )
);
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* 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；
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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];
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assign q = mem[address];
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