FPGA基础设计（八）：串口收发之RAM存储_简单双端口ram

前言

实现上位机通过串口发送数据到FPGA，FPGA接收到数据后将其存储在RAM的一段连续空间中，然后通过按键触发读出RAM数据，再通过串口发送到上位机。

整体设计

模块划分

1、串口接收模块；
2、按键消抖模块
3、创建RAM IP核模块
4、RAM IP核控制模块；
5、串口发送模块。
前面已经设计好了串口发送模块，串口接收模块和按键消抖模块，还剩RAM IP的创建和控制RAM模块的设计。

控制RAM读写的逻辑：

1、简易双端口RAM，有两组地址：写地址wraddress、读地址rdaddress；
2、只设置了写使能wren，没有设置读使能；
3、设置单时钟模式clock来控制所有寄存器，而且没有设置时钟使能 ；
4、data：要写入RAM的数据、q：RAM读出的数据。

1、控制写RAM

当需要写入数据时，把wren信号拉高的同时，给出写地址rdaddress和写数据data[7:0]，数据就会按照指定的地址写入对应的存储单元；

   具体而言，FPGA接收到数据后将其存储在双口RAM的一段连续空间中，需要设计wren写使能的同时给一个wraddress写地址自加的控制；
   实现：在串口接收模块中，每接收一帧数据后会有一个时钟脉冲的标志信号Rx_Done表示数据接收完成，则Rx_Done作为写地址自加条件，同时作为写使能信号；写第一个字节时，直接写在地址0，然后出现Rx_Done信号，写地址wraddress加1，这样接收到的字节存储在一段连续空间中。

       always@(posedge Clk or negedge Rst_n)
         if(!Rst_n)
           wraddress <= 8'b0;
		 else if(Rx_Done)
           wraddress <= wraddress + 1'b1;
	     else 
           wraddress <= wraddress;			
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2、控制读RAM

当需要读出数据时，这里没有设置读使能信号，直接给出当前读地址rdaddress，输出端口q[7:0]就会根据当前指定的地址输出对应存储单元的数据。

如何将数据连续发送出去？
q始终连接串口发送模块的数据输入；
开始时读地址为0，输出端q为地址0对应的存储单元中的数据，第一次按键按下，Send_en使能将q端数据发送出去，然后触发Tx_Done，读地址加1，同时又作为Send_en的使能条件，将q对应的第二个字节发送出去，这样连续地读出RAM中数据。
串口使能发送Send_en的触发？
第一次按键按下，Send_en使能将q端数据发送出去；
后续Send_en使能是上一帧数据发送完成标注Tx_Done和按键状态Send_flag共同触发。
为什么读RAM时候可以连续的读？
连续的读也就说明Send_en信号持续有效。上面也说了Send_en使能是由当前按键状态和上一帧数据发送完成标志信号Tx_Done共同触发，当第一次按下按键Send_flag就持续有效，所以当第一帧发送完成出现Tx_Done，然后触发Send_en使能，接着就继续发送下一帧，发送完成又会出现Tx_Done，则连续的读。
为什么将Send_en的触发信号(Send_flag & !Tx_Done) 寄存两拍？
在对RAM IP进行仿真时，读出的数据总是延时对应的存储地址两拍。

RAM IP核

M9K存储器模块

通过对M9K存储器模块进行配置，可实现各种存储器功能：RAM、移位寄存器、ROM、FIFO。
下面是M9K存储器模块支持的模式：

1. 单端口RAM
   只有一组地址线，这组地址线控制着写数据端口和读数据端口；
   支持从单一地址上的异时读写操作；
2. 简单双端口RAM
   有两组地址线，分别控制着写数据端口和读数据端口；
   支持不同位置的同时读写操作；
3. 真正双端口RAM
   与简单双端口RAM相比，两个数据端口都可用做读/写；
   真双端口模式支持两个端口操作的任意组合：在两个不同时钟频率上的两个读操作、两个写操作、一个读操作和一个写操作。

简单双端口RAM端口框图：

管脚说明：
data：RAM写数据端口
wraddress：RAM写地址端口
wren：写使能信号，高电平有效
bytenena：字节使能控制，该功能屏蔽了输入数据，这样仅写入数据中指定字节，未被写入的字节保留之前写入的值【创建IP这个功能可选】
wr_addressstall、rd_addressstall：地址使能控制，为高电平时，有效地址时钟会保持之前的地址【创建IP时可选】；
wrclock、rdclock：输入与输出时钟，输入时钟控制存储器模块的所有输入寄存器，包括data、wraddress、wren、rden寄存器；输出时钟控制数据q寄存器；
wrclocken、rdclocken：使能输入输出时钟；
rdaddress：RAM读地址端口；
rden：读使能信号，高电平有效；
q：RAM读数据端口；
aclr：异步复位信号，对RAM中数据进行清零操作，高电平有效。

这里创建的RAM非常简易，实现基本的读写操作即可

1、简易双端口RAM，有两组地址：写地址wraddress、读地址rdaddress；
2、只设置了写使能wren，没有设置读使能；
3、设置单时钟模式clock来控制所有寄存器，而且没有设置时钟使能 ；
4、data：要写入RAM的数据、q：RAM读出的数据。

创建RAM IP核

1、选择双端口RAM的IP

2、设置双端口RAM一个为读端口和一个为写端口【简单双端口RAM】
设置储存器大小的方式为按照字数确定

3、设置存储器容量；端口位宽为8【存储串口接收的一个字节数据】；

4、选择单时钟模式，即通过单时钟clock和一个时钟使能信号控制存储块所有的寄存器；
不创建读使能信号

5、对输出端口进行寄存；不创建时钟使能信号；不创建异步复位信号【是对RAM中的数据清零操作，本次实验不需要清零】

6、该页面指定在对RAM进行写操作时，读数据输出选择。
具体而言，写操作期间，RAM输出行为是可以配置的。如果在写操作期间激活了rden信号，则RAM输出端会显示相应地址上正在写入的数据【选择New Data】，或者原有的旧数据【Old memory contents appear】；如果在rden信号未激活的情况下执行写操作，那么RAM输出端将保留它们在最近的rden信号有效期间所保留的值。
本文没有使用rden信号，而且先把数据全部写入到RAM中，然后再一个字节一个字节的读出来，所以不考虑同时读写操作，就像选择了I do not care一样。那么如何读出对应地址上的存储单元中的数据呢？【具体看控制RAM读写模块设计】

7、创建RAM IP核，可以进行初始化也可以不进行；而创建ROM IP核必须进行初始化。

至此简易双端口RAM IP核已创建完毕，可以进行简单的测试.

IP核测试

输出q延时读地址两拍，所以在设计的时候要进行同步处理。

延时两拍的原因：
设计中使用锁存器的原因，会导致延时一拍；
创建IP核的时候，q被寄存了一拍，如下图，如果不勾选则只延时一拍。