FPGA知识基础之RAM--基于IP核的单端口RAM设计

news2025/1/10 3:14:45

一、RAM简介

RAM，全称为Random Access Memory，即随机存取存储器，是计算机内部数据存储的核心组件，对电脑的流畅运行至关重要。

1.1 基本特性

随机存取：RAM允许数据在任何位置被直接读取或写入，无需按照特定顺序，这一特性使其成为处理数据的高速缓存区，能迅速响应CPU的指令。
易失性存储：RAM是一种易失性存储器，意味着当电脑关闭或断电时，RAM中的数据会立即消失，无法保留。这是因为RAM依赖电流来维持数据的存储状态。

1.2 RAM对电脑性能的影响

容量：RAM的容量越大，电脑能够同时处理的数据量就越多，从而提高了多任务处理的效率。
速度：RAM的速度越快，数据在RAM和CPU之间的传输就越迅速，使得电脑在处理复杂任务时更加流畅。

1.3 RAM的应用场景

数据存储与缓存：RAM可用于存储配置数据、参数、算法数据和图像数据等，实现快速读写操作，提高系统性能。同时，它也可用于临时存储频繁访问的数据，以提高系统响应速度。
图像处理：在图像处理领域，RAM可用于图像帧缓存和存储图像滤波系数等。
数据交换与共享：RAM可作为不同模块之间的数据交换区域，实现数据的共享和交互。

二、存储器的分类

1.存储器分类

在这里插入图片描述

2.RAM分类

单端口RAM，简单（伪）双端口RAM,双端口RAM

在这里插入图片描述

三、实验任务

使用vivado软件生成一个单端口的RAM并对其进行读写操作，然后通过仿真观察波形是否正确，最后用在线调试工具对实验结果进行验证。如：将RAM设置的深度和宽度分别为32和8进行读写测试

四、程序设计

1.系统模块

在这里插入图片描述

2.波形绘制

在这里插入图片描述

3.IP核设置

由于实验任务要求深度为32，宽度为8，因此需要对IP核进行简单的设置
在这里插入图片描述

4.代码编写

RTL代码

ram_rw模块

module ram_rw (
input                   clk,
input                   rst_n,
input        [7:0]      ram_rd_data,//RAM读出的数据

output       reg        ram_en,//使能信号
output                  ram_we,//读写信号
output   reg  [4:0]     ram_addr, //地址
output   reg  [7:0]     ram_wr_data //ram写入的数据
);

reg        [5:0]    rw_cnt;

assign ram_we = (rw_cnt <= 6'd31 && ram_en == 1'b1)? 1'b1 : 1'b0;
    
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    ram_en <= 1'b0;
    else
    ram_en <= 1'b1;   
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    rw_cnt <= 6'b0;
    else if(ram_en)
    rw_cnt <= rw_cnt + 6'b1;
    else if(ram_en && rw_cnt == 6'd63)
    rw_cnt <= 6'b0;
    else
    rw_cnt <= 6'b0;
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    ram_addr <= 5'b0;
    else if(ram_en && ram_addr == 5'd31)
    ram_addr <= 5'b0;
    else if(ram_en)
    ram_addr <= ram_addr + 5'b1;
    else
    ram_addr <= 5'b0;
end


always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
    ram_wr_data <= 8'b0;
    else if(ram_we && ram_wr_data < 8'd31)
    ram_wr_data <= ram_wr_data + 8'b1;
    else
    ram_wr_data <= 8'b0; 
end


endmodule

TOP模块

module ip_1port_ram(
input           sys_clk,
input           sys_rst_n
);

wire       [7:0]            ram_rd_data;
wire                        ram_en;     
wire                        ram_we;     
wire        [4:0]           ram_addr;  
wire        [7:0]           ram_wr_data;

ram_rw  u_ram_rw(

        .clk                 (sys_clk),
        .rst_n               (sys_rst_n) ,
        .ram_rd_data         (ram_rd_data), 
        .ram_en              (ram_en),
        .ram_we              (ram_we),
        .ram_addr            (ram_addr),
        .ram_wr_data         (ram_wr_data) 

);


blk_mem_gen_0 u_blk_mem_gen_0(
  .clka                 (sys_clk),   
  .ena                   (ram_en),     
  .wea                   (ram_we),     
  .addra                 (ram_addr), 
  .dina                 (ram_wr_data),   
  .douta                (ram_rd_data)  
);

endmodule

Testbench代码

`timescale	1ns/1ns //仿真的单位/仿真的精度s
module tb_ip_1port_ram();

parameter CLK_PERIOD = 20;

reg 		sys_clk;  //周期20ns
reg 		sys_rst_n; //并非所有的输入都是reg,根据代码编写情况


initial begin
	sys_clk <= 1'b0;
	sys_rst_n <=1'b0;
	#200 
	sys_rst_n <= 1'b1;
end

always #(CLK_PERIOD/2) sys_clk = ~sys_clk;
	


 
ip_1port_ram   u_ip_1port_ram (
    .sys_clk     (sys_clk),
	.sys_rst_n   (sys_rst_n)

 );
 
 
 
 endmodule