FPGA自學——存儲器模型

一、IP核

一）概念：是指芯片中具有獨立功能的電路模塊的成熟設計

二）常見IP核：

1.邏輯運算：與、或、非、異或等基本邏輯運算單元和復用器、循環位移器、三態緩存器和解碼器等相對復雜的邏輯運算模塊

2.數學運算：分為整數運算和浮點運算

整數運算：加法器、減法器、乘法器、除法器、比較器、計數器和絕對值計算器

浮點運算：浮點數加法器、浮點數減法器、浮點數乘法器、浮點數除法器、浮點數平方根計算器、浮點數指數計算器

3.存儲器IP：移位寄存器、觸發器、鎖存器的簡單的存儲器IP核和較為復雜ROM、RAM、FIFO和Flash存儲器等模塊

4.輸入/輸出IP核：時鐘控制器、鎖相環（PLL），低電壓差分信號（LVDS）、收發器、雙數據速率（DDR）I/O、訪問外部存儲器的DQ-DQS I/O，I/O緩存器

5.數字信號處理IP核：有限沖激響應濾波（FIR）編譯器，級聯積分梳狀（CIC）濾波器編譯器、數控振蕩器（NCO）編譯器以及快速傅里葉交換（FFT）等IP核，用于數字信號系統設計

6.數字通信IP核：RS碼編通器、循環冗余校驗（CRC）編譯器、8B/10B編/譯碼器、SONET/SDH物理層IP核

7.圖像處理IP核：2D FIR濾波器、2D中值濾波器、α混合器、視頻監視器、色度重采樣器、圖像裁剪器、視頻輸入和輸出模塊、測試模板生成器、視頻跟蹤系統模塊

8.芯片接口IP核：數字視頻廣播（DVB）的異步串行接口（AS1）、10/100/1000Mbps以太網接口、DDR和DDR2 SDRAM控制器、存儲器物理層訪問接口、PCI/PCI Expresso編譯器、Rapidlo和用于數字電視信號傳輸的串行數字接口（SDI）

9.設計調試IP核：ILA邏輯分析儀、串行和并行Flash加載器、系統內的源和探測模塊、虛擬JTAG

10.其他

三）應用示例

情況1： 某芯片，有500個寄存器，需要在上電的時候由FPGA向這些寄存器中寫入初始值，初始值通過相應的文檔給出來了具體值，這些值都是已知的

特點： 數據量較多； 數值已知固定；上電工作（一次）；只需要讀取

功能選用： ROM：只讀存儲器

情況2： 信號源（ADC）以1微妙一個的速率產生12位的數據現要求獲得連續1毫秒內的數據，通過串口以115200的波特率發送到電腦

特點： 數據量1000（總數有限）； 數據內容未知；數據的使用速度低于數據的產生速度（速率不匹配）；需要重復利用（位寬不同）

速度計算： 串口——以兩次六位的方式進行傳輸，每次傳輸的bit數（（起始位+停止位）+6）bit = 8bit

? 每個bit傳輸的時間為1000_000_000ns/115200 ≈ 8680ns ，一組數據傳輸8680ns*8 = 69440ns = 69.4微妙

? 數據源——1微妙產生兩組數據，一組數據的產生 = 0.5微妙

存在問題： 數據生產（12）和消耗（6）的位寬不同——需要重復利用

功能選用： RAM：可讀可寫

二、ROM（read only memory）

定義：只讀存儲器

特點：非易失性，斷電后數據不會丟失

應用：嵌入電腦主板或者做移動存儲介質，體積夠小，提供的容量可以比光盤核軟盤的大，速度也不慢

延展:

EPROM	Erasable Program ROM （可擦除編程ROM）	紫外線光擦除
EEPROM	Electric Erasable Program ROM （電可擦除編程ROM）	一次擦除一個字節
FLASH		按塊擦除

三、ROM的IP核調用

1.新建一個rom_test的工程文件

2.選擇對應的IP核，選擇塊存儲器生存器

3.配置相關參數

4.生成并加載rom的初始化文件

在【原創】Mif精靈/mif(coe)文件生成器 - 芯路恒資料與技術支持專區 - 芯路恒電子技術論壇 - Powered by Discuz!下載Mif_Make_V2.4_exe.zip文件，并壓縮打開使用

5.查看總結

6.生成

7.查看IP核相關的代碼

找到例化代碼

8.編寫測試文件

`timescale 1ns / 1psmodule rom_tb();reg clka;reg [9:0] addra;wire [9:0] douta;rom rom_inst0 (.clka(clka),    // input wire clka.addra(addra),  // input wire [9 : 0] addra.douta(douta)  // output wire [9 : 0] douta
);//產生時鐘，以50MHz為準initial clka = 1;always #10 clka = ~clka;//也可以寫為clka = !clka;initial beginaddra = 100;#201;repeat(30000) begin //repeat循環addra = addra + 1'b1;#20;end#2000;$stop;end
endmodule

9.查看波形

數字波形，修改為十進制進行查看

模擬波形

四、RAM（random access memory）

一）介紹

定義：隨機存儲器，它可以隨時把數據寫入到任何一指定地址的存儲單元，也可以隨時從任一指定地址讀出數據，其讀寫速度由時鐘頻率決定，主要用來存放程序以及程序執行過程中產生的數據，運算結果等

種類：

五、RAM的IP核調用

1.創建一個ram_test的項目工程文件

2.選用block ram的IP核

3.設計數據流向模塊圖

4.根據數據流向模塊圖選擇配置

5.點擊生成即可

三）仿真測試

1.跟上面rom的步驟基本一致

2.仿真代碼實現

`timescale 1ns / 1nsmodule ram_tb();reg          clka     ;
reg          ena      ;
reg          wea      ;
reg [15 : 0] addra    ;
reg [15 : 0] dina     ;
reg          clkb     ;
reg          enb      ;
reg [15 : 0] addrb    ;
wire [15 : 0] doutb    ;ram ram_inst0 (.clka     (clka),    // input wire clka.ena      (ena),      // input wire ena.wea      (wea),      // input wire [0 : 0] wea.addra    (addra),  // input wire [15 : 0] addra.dina     (dina),    // input wire [15 : 0] dina.clkb     (clkb),    // input wire clkb.enb      (enb),      // input wire enb.addrb    (addrb),  // input wire [15 : 0] addrb.doutb    (doutb)  // output wire [15 : 0] doutb
);initial clka = 1;
always #10 clka = ~clka;
initial clkb = 1;
always #15 clkb = ~clkb;initial begin//初始化ena   = 0 ;wea   = 0 ;addra = 0 ;dina  = 0 ;enb   = 0 ;addrb = 0 ;//寫入#201repeat(65536) beginena = 1;wea = 1;#20;addra = addra + 1'b1;dina = dina + 1'b1;endena = 0;wea = 0;#2000;//讀出addrb = 65536;#300repeat (65535) beginenb = 1;#30 addrb = addrb - 1'b1;end#2000$stop;
endendmodule

3.仿真結果

總結

1.不同波形的使用的存儲器

2.塊與分布式的選擇

區別	distributed（分布式）	block（塊式）
資源	LUT（查找表——本質是很小的ram）	Block Memory（嵌入式的硬件RAM）
調用方式	需要多少拿多少	成塊拿取
用戶需求	需求小，選用分布式	需求大，選用塊式

3.FPGA與模塊的容量資源計算

以TFT屏幕為例：

**計算FPGA的最大容量：**RGB565 -> 需要16位寬 -> 選取的配置為16K×2 -> xc7z015-2（blocl ram有95）-> 計算最大容量：16K×95 = 190K

**TFT模塊：**RGB565 -> 需要16位寬 -> 屏幕大小800×480 =384K -> 需要容量 = 384K × 16 =

**資源不足時解決方法：**選擇部分屏幕進行顯示

4.控制寫入的ena和wea的區別

區別	ena	wea
名稱	Enable的縮寫	Write Enable A的縮寫
作用	控制RAM塊是否激活或工作	控制數據是否寫入到指定地址的RAM中

wea使用時要注意位寬給限定字節大小的整數倍，wea的位寬位數就是倍數

手冊wea的使用案例

5.下載手冊資源的方式

1.使用vivado自帶功能進行下載

2.查看文件

3.如果無法成功下載，或下載后的文件打不開，使用自動打開的官網入口

4.根據關鍵字進行搜索