主記憶用のRAMの作り方 (Ver.9まで)

Quartus II Ver.10 以降の方法

主記憶用のRAMの作り方 参照。

Mega Functionによる主記憶用RAM作成

FPGA上で大規模な回路を実装する時に、 それらの回路を効率よく実装するため、 FPGAベンダはいくつかの代表的な回路に対して マクロを準備しています。 主記憶用のRAMは、このマクロ(QuartusII上ではMega Functionと呼ぶ)を 用いて作成します。

なお、通常のRAMはアドレスを与えると即データを出しますが、 Mega Functionで作ったRAMは出口にレジスタがあるようで、 アドレスを入力した後にクロックを入れないとデータが出てきません。 注意して下さい。

• ライブラリで"megafunctions→storage→lpm_ram_dq"を選択してOKを押す。
• Mega Function Wizardが立ち上がる。
• "MegaWizard Plug-In Manage"のウィンドウが出る。 Mega Functionの出力形式と出力場所／出力名を聞かれるが、 そのままNextを押してかまわない。
• "MegaWizard Plug-In Manager - LPM_RAM_DQ (3/7)"というウィンドウが出る。 いきなり番号が飛ぶが問題はない。
  • SIMPLEは1ワード16 bits構成なので、 RAMのデータ幅を16 bitsにする必要がある。そのため、 "How wide should the 'q' output bus be?"を16 bitsにする。
  • "How many 16-bit words of memory?"を変更し、 RAMのエントリ数を決める。とりあえず、4096 wordsにする。
    • 座学で話したように、仕様書どおり65536 word作ろうとすると、 コンパイル時に"選択したデバイスを配置できない"と怒られます。
  • Nextを押す
  
• "MegaWizard Plug-In Manager - LPM_RAM_DQ (4/7)"
  • "Which port should be registered?"の項目の "'q' output port"のチェックを外す
    • これをチェックしたままにしておくと、'q'の出口に flip-flopが設置され、読み出しに2クロック必要となります
  • Nextを押す
  
• "MegaWizard Plug-In Manager - LPM_RAM_DQ (5/7)"
  • 動作中の主記憶の様子をIn-System Memory Content Editorで 見ることができるようにするため、 "Allow In-System Memmory Content Editor to capture and update content..."をチェックする。
  • あらかじめ主記憶に書き込むデータの ファイル(ファイルの作り方は後方を参照)を準備してあるのならば、 "Do you want to specify the initial content of the memory?" をYesにし、ファイルを指定する。
  • Finishを押す。
  
• 確認が出るので、もう一度Finishを押した後、配置する。

主記憶(RAM)のデータ・ファイル(プログラムも含む)の作り方

• "File→New→Memory Files→Memory Initialization File"を選択し、 メモリ・ファイル・エディタを立ち上げる。
• ワード数とワード・サイズを聞かれるので、 ワード数には必要なワード数を指定し、ワード・サイズを16を指定する。
• Excel風のウィンドウが出ますので、RAMの内容を編集します。 保存すると、拡張子が.mifのMemory Initialization File(MIFファイル)が作成されます。
  • "View→Cells Per Row"で1行あたりのワード数を変更できるので、 使いやすいワード数にすると良いでしょう。
  • "View→Adress Radix"および"View→Memory Radix"で 表記(2進数／8進数／10進数／16進数)を変えれるので、 好きな表記で編集すると良いでしょう。
  • セルの間に新たなセルをいれたければ、"右クリック→ Incert Cell"で間に新たなセルを挿入できます。
  
• MIFファイルは簡単な構造のテキスト・ファイルですので、 直接いじくることも可能です。
  • アセンブラを作るのでしたら、この形式で出力させるように作ると良いでしょう
  

FPGAで動作中の主記憶(RAM)を読み書きする

QuartusIIに付属するIn-System Memory Content Editorを 使うことにより、FPGAで動作中のRAMの内容を見たり操作することができます。

• "Tools→In-System Memory Content Editor"を立ち上げます。
• 右上の"Hardware"の項目で"USB-Blaster"を選択します。
  • 問題がなければ、左上の"Instance Managaer"にFPGA中に作成 されたRAMの一覧が出ます。
• "Instance Manager"でエディットするRAMを選択します。
  • 下のRAMの内容を示すウィンドウが"??"で埋まります。
  
• 下のRAM内容を示すウィンドウでRAMの操作を行います。
  • ウィンドウを右クリックして"Read Data from In-System Memory"を 選択すると、RAMの内容を読み込みます。
    • (前回の読み込みから)更新された部分は赤色で表示されます。
    
  • RAMの内容の変更のしかた。
    • 変更したい部分の左にカーソルと持って来て、 書き込みたい値を入力します。
      • 書き込まれた値は青色で表示されます。
      • この時点では、変更はまだFPGA内部には反映されていません。
      
    • ウィンドウを右クリックして"Write All Modified Words to In-System Memory"を押して経ん後部をFPGAに書き込みます。
      • FPGAに書き込まれた値は赤色で表示されます。
      
  • ウィンドウを右クリックして"Continuously Read Data from In-System Memoery"を選択すると、 RAMの内容を0.5秒ぐらいの間隔で読み込みを繰り返します。
    • リアルタイムでRAMが更新されている様子が見えます。
    • 更新された部分は、一瞬、赤色になります。
    • ウィンドウを右クリックして"Stop In-System Memory Analysis"を 選択すると、リアルタイムの更新を終了します。
    • メモリ・アクセスまわりのデバッグを行う場合は、 クロック周波数1Hzぐらいで動作させながら、 RAMの内容を見ると良いでしょう。
  • 他にも、右クリック後の操作で書き込む値をMIFファイルから 読み込んだり(Import Data from File)、 逆に、メモリの内容をMIFファイルに書き込んだり できますので(Export Data to File)、必要に応じて利用してください。

In-System Memory Content Editorの詳細は、 オンライン資料： Quartus II開発ソフトウェアの Quartus IIハンドブックのVolume 3, Chapter 15, "FPGAメモリおよび定数のインシステム・アップデート"に書かれています。