什么是 RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）？

　　RAM（隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）是用于系統(tǒng)讀/寫和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備。RAM 存在范圍從嵌入式系統(tǒng)、智能手機(jī)等小型系統(tǒng)到臺(tái)式機(jī)、筆記本電腦等大型系統(tǒng)。系統(tǒng)中使用的 RAM 對(duì)系統(tǒng)性能有重大影響。它負(fù)責(zé)執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。RAM的版本越高，它的性能就越高。

　　現(xiàn)在我們對(duì) RAM 是什么有了清晰的認(rèn)識(shí)，讓我們看看如何在 VHDL 中實(shí)現(xiàn) RAM。盡管業(yè)界使用了更高版本的 RAM。在本教程中，我們將實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的 32X8 RAM。它是存儲(chǔ)設(shè)備的小規(guī)模版本。

　　內(nèi)存規(guī)格

　　通常，內(nèi)存用 M x N 表示，其中 M 是位置數(shù)，N 是數(shù)據(jù)線。所以這里 32 x 8，“32”代表 32 個(gè)位置，或者一個(gè)有 32 個(gè)位置的數(shù)組，“8”代表 8 條數(shù)據(jù)線。簡(jiǎn)單來說，一個(gè) 32 x 8 RAM 有 32 個(gè)位置，每 32 個(gè)位置可以存儲(chǔ) 8 位數(shù)據(jù)。因此，32 x 8 RAM 可以存儲(chǔ)的總位數(shù)為 256 位。現(xiàn)在，您可以想象用于筆記本電腦/臺(tái)式機(jī)的 8GB、16GB RAM 的存儲(chǔ)容量。

　　下面給出了一個(gè)示意圖，指示了 RAM 中的端口/線路。

　　RAM 具有數(shù)據(jù)線、地址線、寫入信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和用于從 RAM 讀取內(nèi)容的數(shù)據(jù)輸出端口。地址線大小/位因 M x N 規(guī)格而異。讓我們了解如何計(jì)算地址線位 （A） 的大小。

　　地址線位數(shù)/大小 （A）：2 A =M。因此，在我們的例子中，它是 2 A =32 （M=32），其中 A=5。

　　An → 地址線

　　M → 位置數(shù)

　　N → 數(shù)據(jù)線

　　W → 寫信號(hào)

　　由于 RAM 是時(shí)序電路，因此它具有時(shí)鐘信號(hào)。所有時(shí)序電路都有時(shí)鐘信號(hào)。此外，寫入信號(hào)負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)刻錄到 RAM 中。只有當(dāng)時(shí)鐘和寫信號(hào)都為“1”時(shí)，數(shù)據(jù)才會(huì)存儲(chǔ)在 RAM 中。

　　下面給出了與寫入和時(shí)鐘信號(hào)有關(guān)的事件。

　　RAM 的 VHDL 代碼：

?

圖書館 IEEE；
使用 IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
使用 ieee.numeric_std.ALL；
實(shí)體 RAM_32X8 是
端口（
地址：in std_logic_vector(4 downto 0)；
data_in：in std_logic_vector(7 downto 0)；
write_in：in std_logic；
時(shí)鐘：in std_logic；
data_out：out std_logic_vector(7 downto 0) 
）；
結(jié)束 RAM_32X8；
架構(gòu) RAM_32X8 的行為是
類型 ram_array 是 std_logic_vector 的數(shù)組（0 到 31 ）（7 到 0）；
信號(hào) ram_data: ram_array :=( 
   b"10000000",b"01001101",x"77",x"67", 
   x"99",x"25",x"00",x"1A", 
   x"00 ",x"00",x"00",x"00", 
   x"

   x"00",x"00",b"00111100",x"00", 
   x"00",x"00",x"00",x"00", 
   x"00",x"00", x"00",x"1F" 
   ); 
開始
進(jìn)程（時(shí)鐘）
開始
如果（上升沿（時(shí)鐘））然后
如果（寫入='1'）然后
ram_data（to_integer（無符號(hào)（地址）））<=數(shù)據(jù)輸入；
  萬一; 
萬一; 
結(jié)束進(jìn)程；
data_out <= ram_data(to_integer(unsigned(address))); 
結(jié)束行為；

?

讓我們先一步一步來，以便我們可以跟蹤事情。首先，讓我們逐段編寫代碼，然后合并。

第一步是導(dǎo)入庫(kù)和實(shí)體聲明。就像“使用IEEE.std_logic_1164.all?”、“使用IEEE.numeric_std.ALL?”一樣，導(dǎo)入了我們將使用的數(shù)字庫(kù)。這個(gè)庫(kù)的使用將在下面的代碼中解釋。

該實(shí)體使用標(biāo)簽“?RAM_32X8?”聲明。接下來，聲明了所有輸入和輸出端口。位大小為五 (5) 的地址線 (A)、數(shù)據(jù)線 (即 N = 8)、寫入信號(hào) (W)、時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)輸出是對(duì)應(yīng)的輸入和輸出端口，如前所述。

?

圖書館 IEEE；
使用 IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
使用 ieee.numeric_std.ALL；
實(shí)體 RAM_32X8 是
港口（
 地址：在 std_logic_vector(4 downto 0) 中；
 data_in: 在 std_logic_vector(7 downto 0);
 write_in：在std_logic中；
 時(shí)鐘：在 std_logic 中；
 data_out: 輸出 std_logic_vector(7 downto 0)
);
結(jié)束 RAM_32X8；

?

一旦實(shí)體被聲明，我們就可以從架構(gòu)定義開始。該架構(gòu)被標(biāo)記為“RAM_32x8”。

?

RAM_32X8 的架構(gòu)行為是

?

ram_array 類型是 std_logic_vector（7 到 0）的數(shù)組（0 到 31）：?現(xiàn)在，我們必須創(chuàng)建一個(gè)大小為 32 的數(shù)組。因此，我們將變量“?ram_array?”聲明為“類型 ram_array”，它是一個(gè)枚舉類型。枚舉類型什么都不是，只是列出變量的所有可能值。“is array (0 to 31)”表示“type ram_array”將是一個(gè)大小為（M）為32的數(shù)組，從0開始到31結(jié)束。這32個(gè)位置應(yīng)該能夠存儲(chǔ)一個(gè)8位向量為N= 8.?因此，我們將其聲明為“?std_logic_vector (7 down to 0)?”。所以通常 ram_arary 是一個(gè)有 32 個(gè)位置的數(shù)組，每個(gè)位置可以存儲(chǔ) 8 位。

?

類型 ram_array 是 std_logic_vector 的數(shù)組（0 到 31）（從 7 到 0）；

?

現(xiàn)在，我們必須將其存儲(chǔ)為信號(hào)。因此，我們將“ram_data”聲明為信號(hào)并將其映射到數(shù)組“ram_array”。現(xiàn)在“ram_array”的內(nèi)容將被映射到信號(hào)“ram_data”。所以，我們必須初始化數(shù)組的內(nèi)容。所以，我已經(jīng)初始化了一些值。

注意：我們可以用二進(jìn)制或十六進(jìn)制表示/初始化。“b”代表二進(jìn)制，“x”代表十六進(jìn)制。然而，ModelSim 在模擬時(shí)默認(rèn)將表示轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制。

?

信號(hào) ram_data: ram_array :=( 
   b"10000000",b"01001101",x"77",x"67", 
   x"99",x"25",x"00",x"1A", 
   x"00 ",x"00",x"00",x"00", 
   x"00",x"00",x"00",x"00", 
   x"00",x"0F",x"00 ",x"00", 
   x"00",x"00",b"00111100",x"00", 
   x"00",x"00",x"00",x"00", 
   x"00 ",x"00",x"00",x"1F"

?

由于整個(gè)if條件過程都依賴于時(shí)鐘，我們通過“process(clock)”聲明

?

開始
進(jìn)程（時(shí)鐘）
開始

?

if (rising_edge(clock)) then：?ModelSim 有一個(gè)預(yù)定義的函數(shù)“rising_edge()”。“rising_edge”表示信號(hào)從低到高的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。因此，只有在發(fā)生從低到高的轉(zhuǎn)換時(shí)，它才會(huì)傳遞到下一條語句。

?

如果（上升沿（時(shí)鐘））那么

?

if (write_in='1') then：這是一個(gè)簡(jiǎn)單的 if 條件，只有當(dāng)信號(hào)“write_in”為 1 時(shí)，它才會(huì)傳遞到下一個(gè)。

?

if(write_in='1') 那么

?

ram_data v(to_integer(unsigned(address))) <= data_in：??“ram_data”信號(hào)本身是一個(gè)數(shù)組，因此我們必須設(shè)置必須存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)組的索引。該索引將只接受一個(gè)正整數(shù)。“to_integer()”將轉(zhuǎn)換為整數(shù)值。“無符號(hào)”用于將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)。“IEEE.NUMERIC_STD all”包負(fù)責(zé)整數(shù)轉(zhuǎn)換。

注意：默認(rèn)情況下，Modelsim 會(huì)將給定的輸入作為二進(jìn)制。

如果您的地址是“11111”，ModelSim 有時(shí)會(huì)將“11111”解釋為負(fù)數(shù)，因?yàn)?MSB（最高有效位）為“1”。因此，始終建議使用unsigned()。最后，當(dāng) ModelSim 處理這條語句時(shí)，它會(huì)是ram_data(index)。?只是我們已經(jīng)將給定的地址轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)?a target="_blank">索引格式。現(xiàn)在，“data_in”信號(hào)中的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ)到適當(dāng)?shù)摹皉am_data”索引中。

由于我們使用了 2 個(gè) if，我們必須通過兩個(gè)“end if”來終止 if

?

萬一;
 萬一;
結(jié)束進(jìn)程；

?

由于必須通過給定地址從 RAM 中讀取數(shù)據(jù)，因此聲明了“data_out”信號(hào)以從特定索引讀取內(nèi)容。

?

data_out <= ram_data(to_integer(unsigned(address)));

?

只需復(fù)制粘貼上面的代碼，編譯和模擬代碼。仿真過程請(qǐng)參考“ModelSim中使用VHDL實(shí)現(xiàn)基本邏輯門”

　　沿波形移動(dòng)光標(biāo)以讀取信號(hào)的內(nèi)容。這就是用 VHDL 編寫 RAM 的方式。

　　圖書館 IEEE；

　　使用 IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；

　　使用 ieee.numeric_std.ALL；

　　實(shí)體 RAM_32X8 是

　　端口（

　　地址：in std_logic_vector（4 downto 0）；

　　data_in：in std_logic_vector（7 downto 0）；

　　write_in：in std_logic；

　　時(shí)鐘：in std_logic；

　　data_out：out std_logic_vector（7 downto 0）

　　）；

　　結(jié)束 RAM_32X8；

　　架構(gòu) RAM_32X8 的行為是

　　類型 ram_array 是 std_logic_vector 的數(shù)組（0 到 31 ）（7 到 0）；

　　信號(hào) ram_data： ram_array ：=（

　　b“10000000”，b“01001101”，x“77”，x“67”，

　　x“99”，x“25”，x“00”，x“1A”，

　　x“00 ”，x“00”，x“00”，x“00”，

　　x“00”，x“00”，b“00111100”，x“00”，

　　x“00”，x“00”，x“00”，x“00”，

　　x“00”，x“00”， x“00”，x“1F”

　　）;

　　開始

　　進(jìn)程（時(shí)鐘）

　　開始

　　如果（上升沿（時(shí)鐘））然后

　　如果（寫入=‘1’）然后

　　ram_data（to_integer（無符號(hào)（地址）））《=數(shù)據(jù)輸入；

　　萬一;

　　萬一;

　　結(jié)束進(jìn)程；

　　data_out 《= ram_data（to_integer（unsigned（address）））;

　　結(jié)束行為；