7.4 基于IP Core的Block RAM设计 7.4 基于IP Core的Block RAM设计n 本节介绍基于IP Core的Block RAM设计，由于Block RAM属于特殊结构，使用Xilinx公司提供的IP Core是比较方便的，而且灵活、高效、不容易出错（IP Core的使用请见节）。双端口块RAM（Dual-Port Block RAM）双端口双端口RAM的特性的特性nVirtex、Virtex-E、Virtex-II、Virtex-IIPro、Spartan、Spartan-II、Spartan-IIE和和Spartan-3系列的系列的FPGA都嵌入了都嵌入了Block RAM。n支持所有支持所有3种种Virtex-II写模式写模式 :Read-After-Write、Read-Before-Write和和 No-Read-On-Write（只（只适用于适用于Virtex-II和和Spartan-3）n支持支持RAM和和ROM功能。功能。n支持支持1到到256BIT的数据端口宽度。的数据端口宽度。n根据选择的不同结构，支持根据选择的不同结构，支持1到到2M字的存储深度。字的存储深度。n支持ROM功能，两个端口可以同时对一个地址的数据进行读操作。n支持RAM功能，两个端口可以同时对不同的地址进行写操作，或者对同一地址进行读操作。n两个端口是完全独立的。n支持A、B端口的不对称配置。n支持CORE设计或者使用SelectRAM+ 、 SelectRAM-II 库原语以求面积优化。n支持不同极性的控制信号引脚：时钟（clock）、 使能（enable）, 写使能（write enable） 和输出初使化（output initialization）引脚。n结合Xilinx的Smart-IP技术使设计更灵活，最优化实现。2双端口双端口RAM的功能描述的功能描述nDual-Port Block RAM是由一块或多块叫做Select-RAM+的4Kb存储块组成的。Virtex-II和Spartan-3系列的Dual-Port Block RAM是由一块或多块16 Kb存储块（SelectRAM-II）组成的，能构成更宽或者更深的存储器设计。Select-RAM+ 和SelectRAM-II都是真正的双端口RAM，为Spartan-II和Virtex系列家族的芯片提供快速、离散的而且足够大的块RAM。因为Spartan-II和Virtex都使用4Kb的Select-RAM+存储块，所以任何涉及到Virtex能实现的RAM，都可以在Spartan-II、Virtex-E、Virtex-II、Virtex-IIPro、Spartan-IIE系列中实现。 每个存储器含有两个完全独立的端口A和B，两个端口享有同时访问存储器中同一地址的能力，存储器的深度和宽度由使用者自己定义。两个端口在功能上是完全一样，都可以对存储器进行读写操作。两个端口可以同时对存储器的同一地址进行读操作，如果对同一地址进行操作，一个端口读，一个端口写，那么写操作成功，而读出的数据是无效的。 根据使用者的定义，可以配置端口A和端口B的数据宽度和地址宽度。当两个端口被禁用时（ENA和ENB无效），存储器中的数据和输出端口将保持不变。当两个端口可用时（ENA和ENB有效），对存储器的所有操作将在输入时钟的边沿触发。n 进行写操作时（WEA或WEB有效），相应数据端口的数据将写入地址端口所指定的存储地址中。 在这个操作中，Spartan-II/Virtex和Virtex-II系列的块RAM的输出端口的动作并不相同。nVirtex-II和Spartan-3系列的块RAM的输出端口的具体实现要根据“写模式”的设置而定。Virtex-II和Spartan-3系列的块RAM支持3种“写模式”，每种模式决定了输出端口在写操作发生后将如何作出反应。nSpartan-II和Virtex系列的块RAM只支持一种“写模式”：Read-After-Write。这种写模式使写入的数据在写操作后呈现在输出端口。n在读操作时，地址输入端口指定的地址上的数据在输出端口输出。当同步初始化（Synchronous Initialization(SINITA或SINITB)）有效时，有锁存器的输出端口将被同步初始化，Spartan-II和Virtex系列将被初始化为0，Virtex-II系列将被初始化为使用者事先定义的数据。同步初始化操作并不影响存储器中的数据，也不会与写操作发生冲突。n使能，写使能和同步初始化可以被定义为高电平有效或者低电平有效。3双端口双端口RAM的引脚的引脚n双端口RAM的Core引脚如图所示。 图7.4.1 双端口RAM的引脚n双端口RAM的Core引脚的具体含义列表于表。端口名称 端口方向 功能描述DINA|B可选 输入 数据输入：数据从此端口写入存储器。ADDRA|B 输入 地址输入：写或者读操作的地址由此端口输入。 WEA|B可选 输入 写使能控制信号：控制数据写入存储器。 ENA|B可选 输入 使能控制信号：写或者读操作的有效控制。SINITA|B可选 输入 同步初始化控制信号：使输出端口初始化为预先设定的状态。 CLKA|B 输入 时钟信号：所有存储器操作是在输入时钟的同步下进行的。 NDA|B可选 输入 握手信号：表示A或者B端口上有新的而且有效的地址数据。（高电平有效）。 DOUTA|B可选 输出 数据输出端口：存储器的同步数据输出端口。 RFDA|B可选 输出 握手信号：表示存储器已经准备好接受新数据。（高电平有效） RDYA|B可选 输出 握手信号：表示输出端口上的数据有效。（高电平有效）。 7.4.2 使用IP Core生成双端口RAM n Xilinx提供了Dual-Port Block RAM的IP Core。具体如何调用IP Core、生成IP Core见节。这里介绍具体的一些IP Core参数，设计者可以根据设计的需要设置这些参数。nDual-Port Block RAM的参数设置窗口分别如图、图、图、图所示。Dual-Port Block RAM的参数设置一共有4个窗口，可以单击按钮进入下一个窗口。 图7.4.2 Dual-Port Block RAM的参数设置窗口图7.4.3 Port A Block RAM的参数设置窗口图7.4.4 Port B Block RAM的参数设置窗口图7.4.5 Dual-Port Block RAM的参数设置窗口n元件名称（Component Name）:为了生成IP Core，必须为生成的文件取一个名称。n端口A存储器大小（Memory Size）：n数据端口A宽度（Width A）：可以选择数据端口A的宽度，宽度可以从1到256。n地址端口A深度（Depth A）：可以选择存储器的字节数。根据所选择的不同结构，字节数可以从2BIT到2M。可以选择的地址深度要根据所选择的数据端口A的宽度而定。Spartan-II和Virtex系列的块RAM的最大字节数为256K，Virtex-II和Spartan-3系列的块RAM的最大字节数为1M。必须注意生成的CORE的大小不能超过目标器件库原语的大小 端口B存储器大小（Memory Size）： 数据端口B宽度（Width B）：可以选择数据端口B的宽度，可以选择的数据端口B的宽度取决于定义的数据端口A的宽度。对于Spartan-II和Virtex系列的块RAM，能够选择的宽度可以是1，2，4，8或16倍A端口的宽度。对于Virtex-II系列的块RAM，能够选择的宽度可以是1，2，4，8，16或32倍A端口的宽度。n地址端口B深度（Depth B）：定义了Width A、Depth A和Width B后，Depth B的值将为定值。根据端口A和B定义的存储器的大小必须相等可以计算出Depth B。n端口A可选项（Port A Options）:n配置（Configuration）选项：可以选择的有Read And Write（读和写）, Write Only（只写）和Read Only（只读）。n写模式(Write mode)选择：可以为Virtex-II系列的块RAM选择写模式。Spartan-II和Virtex系列的块RAM只支持Read After Write模式。Read After Write模式（支持的有Virtex-II、Spartan-II、Spartan-3、Virtex），可能有下面几种情况：n没有输入输出寄存器时：数据在WEA信号有效后的第一个时钟沿传送到端口DOUTA。n仅有输入寄存器时：数据在WEA信号有效后的第二个时钟沿传送到端口DOUTA。n仅有输出寄存器时：数据在WEA信号有效后的第二个时钟沿传送到端口DOUTA。n有输入和输出寄存器时：数据在WEA信号有效后的第三个时钟沿传送到端口DOUTA。nRead After Write模式的时序如图所示。 图7.4.6 Read After Write模式时序nRead Before Write模式（支持的有Virtex-II、Spartan-3），可能有下面几种情况：n没有输入输出寄存器时:在WEA信号有效后的第一个时钟沿，存储器中当前地址上的数据被传送到端口DOUTA。n仅有输入寄存器时：在WEA信号有效后的第二个时钟沿，存储器中当前地址上的数据被传送到端口DOUTA。n仅有输出寄存器时：在WEA信号有效后的第二个时钟沿，存储器中当前地址上的数据被传送到端口DOUTA。n有输入和输出寄存器时：在WEA信号有效后的第三个时钟沿，存储器中当前地址上的数据被传送到端口DOUTA。图7.4.7 Read Before Write模式时序nNo-Read-On-Write模式（支持的有Virtex-II、Spartan-3）：当WEA有效时，不会进行读操作。DOUTA端口将保持上一次读操作的数据。No-Read-On-Write模式时序如图所示。图7.4.8 No-Read-On-Write模式时序n端口B可选项（Port B Options）: 端口B可选项与端口A可选项相同。n端口A设计选项（Port A Design Options）: 1 可选引脚端（Optional Pins）： a. 使能引脚端。 b. 握手信号引脚端。包括ND、RFD、RDY 信号，它们的含义如表所示。需要注意的是，ND信号必须在RFD有效时才能有效。RFD信号在EN信号有效时一直是有效的。可选输入寄存器（Register Options） ：可以为端口DIN、ADDR和WE添加输入寄存器。可选输出寄存器（Output Register Options）:n a. Additional Output Pipe Stages:选择1可以为输出端口再增加一级寄存器，选择0不加寄存器。n b. 初始化（SINIT）引脚： SINIT引脚的含义见表。n引脚极性（Pin Polarity）：使用者可以为存在的引脚极性配置。对于时钟信号，可以配置成上升沿或下降沿触发。对于EN、WE和SINIT引脚端，可以配置成高电平或低电平有效。n端口B可选项（Port B Options）: 端口B可选项与端口A可选项相同。n库原语选择（Primitive Selection）：有两项可供选择。n面积优化（Optimize For Area）。n选择库原语（Select Primitive）。Virtex、Virtex-E和Spartan-II的库原语有4kx1, 2kx2, 1kx4, 512x8和256x16。Virtex-II的库原语有16kx1, 8kx2, 4kx4, 2kx9, 1kx18, 和 512x36.n初始化（Initial Contents）:可以设置配置后存储器中的初始值。n全局初始化值（Global Init Value）：全局初始化值定义了配置后存储器中初始值。缺省（默认）为0。注意输入的值必须是16进制，并且其大小不能超过A端口能输入的最大值。n加载初始化文件（Load Init File）：存储器中的初始值可以保存在一个以COE为后缀的文件中，加载这个文件可以使存储器在配置后，各个单元的初始值为文件中所列出的值。7.4.3 使用Memory Editor生成COE文件n前面提到，可以为双端口RAM提供一个初始化数据文件，加载这个文件可以使RAM在配置后，各个单元的初始值为文件中的所列出的值。下面介绍如何使用Memory Editor生成这个文件，并且写入初始化数据。 n打开Xilinx Core Generator。选择菜单ToolsMemory Editor，如图所示。进入Memory Editor，如图所示。图7.4.10 Memory Editorn(2)单击按钮，如图所示键入名称。 图7.4.11 键入名称n单击确定。然后设置好双端口RAM的各个参数，并且在初始值输入区填写数据。选择FileGenerate COE Files生成COE文件，如图所示。 图7.4.12 生成COE文件