SRAM控制器的设计与验证
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RAM (Random Access Memory）通过指令随机地对每个存储单元访问、基本固定访问时间、与存储单元地址无关的存储器。
RAM是仅次于CPU的器件之一。而CPU也把中间数据暂时放置在RAM中，所以RAM和CPU之间的速度保持匹配。
如今随着网络的发展高速数据通信系统所面临的压力越来越大，各大系统架构因此也必须考虑到高速数据通信所产生的一系列算法、结构、组成部件方面的问题，其中存储器就是高速通信系统的瓶颈[2]。随着外部存储器接口的速度不断提升，保证信号传输的完整性和准确性在越来越难的同时也显得越来越重要[2]。
Firstly，the main functions of the SRAM controller is investigated and verified, focuses on the analysis of the internal processing access controller command function partition and the sub circuit's work process, the basic idea and process and then study the FPGA design verification, SRAM memory and then choose a IS61WV102416ALL model as the research object, describes its focus on sequential pattern in the hardware description language (Verilog, HDL) description of the complete circuit design, the purpose is to design the SRAM controller of the sequence diagram. At the same time, ModelSim software and FPGA software is preferred. This article is written for the SRAM controller design using ModelSim software, the simulation and test. The top of the document the simulation waveform, the SRAM controller is verified, the results and design specifications.
3.3 芯片结构
主流的FPGA基于查找表技术，并且整合了常用模块。，FPGA芯片主要由7部分完成，分别为：丰富的布线资源、内嵌入块式RAM、完整的时钟管理基本可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、嵌的底层功能单元和内嵌、专用硬件模块。
iii.FPGA设计的基本理念研究
由于本课题是基于FPGA进行设计、仿真与验证，所以在学习硬件语言的同时也要熟悉FPGA设计的一般流程与思想，然后我们对整个设计就有了明确的方向与步骤。
iv.ModelSim软件的应用
本论文主要应用ModelSim软件，运行Verilog HDL代码及后期FPGA验证都在这个平台上进行，在学习了上述知识以后就在ModelSim软件上进行SRAM控制器的设计，编码，运行，仿真以及验证等多项工作。
2.1.3 主要特点
现将它的特点归纳如下：
优点，速度快，不必配合内存刷新，提高整体工作效率。
缺点，掉电不保存数据，集成度低，体积较大，很少用在关键性系统上边。
2.1.4 主要用途
SRAM主要用于二级高速缓存用晶体管存储数据，无需刷新便能保存存储数据。但是
SRAM的速度快但昂贵，一般用小容量SRAM作为高速CPU和较低速DRAM 之间的缓存。
1.2 存储器概念和类型
1.2.1 存储器概念
存储器（Memory）是计算机中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机中信息，包括输入的数据、程序、中间运行结果和最终结果都在存储器中。根据控制器位置存入、取出。有了存储器以后，计算机方有记忆功能。按用途存储器有主存储器和辅助存储器。内存指存储部件，存放执行的数据，离开电源，数据会丢失[1]。外存是磁性介质等，能长久保存。
SRAM一般由五大部分组成，即存储单元阵列、地址译码器（包括行译码器和列译码器）、灵敏放大器、控制电路和缓冲/驱动电路[6]。
3 FPGA设计介绍
3.1 FPGA简介
FPGA是现场可编程门阵列的英文缩写，是一种半定制电路，它既解决了定制电路不足，又解决了可编程器件门电路数有限的缺点。
硬件描述语言完成的电路设计，可以简单的综合与布局，快速的烧录到 FPGA测试。这些可编辑元件被用来实现一些逻辑门电路。FPGA比专用集成芯片速度慢，功耗较低。因为芯片较差的可编辑能力，所以开发往往在普通FPGA上做成[7]。
因此在选择外部存储器时，需要从以下几个方面考虑：
1.带宽与速度
2.成本
3.存储数据的大小与容量
4.延迟
5.功耗
1.3本课题的内容和意义
本文的主要内容是设计一款满足HINOC外挂需求的SRAM控制器，并根据制定的测试例搭建基于HIMAC的仿真验证平台及进行FPGA验证。设计的SRAM控制器简单而且具有很高的灵活性，具体工作内容包括：
3.2 工作原理
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA，内部包括可配置逻辑模块CLB输出输入模块IOB和内部连线三个部分。 现场可编程门阵列是可编程器件，具有不同的结构。FPGA用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到D触发器输入端，触发器驱动逻辑电路或驱动I/O，构成了既可组合逻辑功能又可时序逻辑功能的基本逻辑单元，这些模块利用连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑通过内部静态存储单元加载编程数据来实现，存储器单元的值决定了逻辑单元的逻辑功能、各模块之间或模块与I/O间联接方式，决定了FPGA所能实现的功能，FPGA可以无限次的编程。
关键词：FPGA；SRAM控制器； ModelSim； Verilog
Design and verification of a SRAM controller
Abstract
SRAM is English Static RAM abbreviation, namely static random access memory. It is a kind of static access memory, do not need to refresh the circuit which can save it internally stored data. So has the advantages of fast speed, high working efficiency, mainly used for cache. Design of the SRAM controller mainly through FPGA to complete the design process.
图2.1 SRAM结构图
SRAM的架构如图2.1所示，SRAM一般可分为五大部分：存储单元阵列，行/列地址译码器，灵敏放大器，控制电路，缓冲/驱动电路。SRAM是静态存储方式，以双稳态为存储单元，而且工作速度较快[4].2Βιβλιοθήκη 2基本原理2.2.1 结构原理
SRAM即静态RAM.由晶体管组成。断开表示0，接通代表1，状态能保持到改变信号为止。晶体管可以不刷新，断电的时候，就会和DRAM一样，失去信息。SRAM的速度快。每个SRAM单元由其他零件和四到六个晶体管组成。因此，它的价格贵，外形大，由于形状的差别，DRAM和SRAM不能互换[5]。
本课题研究的意义：
随着高速数据的发展，传统SRAM根本不能很好地满足如今的社会。外挂SRAM的灵活性与适应性使得其有着很好的应用前景，特别是HINOC系统的普及使得符合该系统的外挂SRAM控制器有极大发展空间，本文就致力于设计一个满足HINOC系统的外挂SRAM控制器并且在仿真平台上基于HIMAC功能进行FPGA验证。[3]
学位论文作者签名：_________________日期：_________________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解商洛学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
□公开□保密（____年____月） (保密的学位论文在解密后应遵守此协议)
电子信息与电气工程学院2014 届本科毕业论文（设计）
SRAM控制器的设计与验证
专 业电子信息科学与技术
姓 名
学 号10033143
指 导 教 师
完 成 时 间2014.6
陕西商洛
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得商洛学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
2 SRAM简介
2.1 基本介绍
2.1.1基本简介
SRAM（Static RAM）是指静态随机存储器。它具备静止和存取的功能，无需刷新便能保存存储数据。故SRAM有较高性能，同时SRAM也一些缺点，即集成度较低，SRAM体积大，功耗大。主板上SRAM存储器面积较大。
2.1.2 主要规格
一种是置于cpu与主存间的高速缓存，另一种是插在卡槽上的扩充用的高速缓存。SRAM速度快，不需要刷新操作，但是价格高，体积大，所以还不能作用量较大的主存。
i.SRAM控制器的原理研究
想要做好SRAM控制器的设计首先应对SRAM控制器深刻的理解，对其工作方式与原理有全面的认识，了解其各个管脚的作用并且熟悉其时序关系。这样才能在进行控制器的设计时有一个清晰准确的思路。
ii.熟悉Verilog HDL的基本编程
该控制器的设计是通过硬件语言Verilog HDL实现的，所以在了解SRAM控制器原理之后就是要掌握Verilog HDL语言的描述，了解其作为硬件语言与软件语言的相同点与不同点。这样我们就有了进行设计的基本工具。
Keywords:FPGA；SRAM controller；Verilog HDL；ModelSim
1 绪论
1.1研究背景
SRAM存储器自近几十年来以来以具有高速度和低功耗的特点在世界上得到了飞速发展与广泛应用。而随着半导体技术的飞跃，SRAM被越来越多地集成到电脑主板的CPU中。现如今SRAM控制器的应用目前主要分为两个领域：一是主要应用于网络设备的高性能，，二是主要应用于电子产品的低功耗低成本SRAM。因为SRAM在数据传输与存储中有重要的位置，所以人们努力来研究更高性能，更大容量的SRAM以满足人们需要。
签名： 导师签名： 日期：
SRAM
摘要
SRAM（Static RAM）即静态随机存储器。它具有静止存取功能，无需刷新电路便能保存内部数据。所以速度快，工作效率高，当代主要用于高速缓存。SRAM控制器的设计目前是通过FPGA设计流程完成。
本文首先对SRAM控制器的主要功能做了研究和验证，重点分析了控制器内部处理访问命令的功能划分和子电路的工作过程，接着研究了FPGA设计验证的基本思想与流程，然后选取一款IS61WV102416ALL型号的SRAM存储器为研究对象，重点描述了其时序图形，以硬件语言（Verilog HDL）描述所完成电路设计，目的是设计出符合该时序图的SRAM控制器。同时，ModelSim软件又是进行FPGA设计首选的仿真软件。本文正是利用ModelSim软件进行SRAM控制器的编写设计，仿真与测试。最终利用顶层文件仿真得到波形，对SRAM控制器的功能进行验证，得到结果与设计规范一致。
1.2.2 存储器分类
存储器基本分类方式有以下几种：
按存储方式：
随机存储器：存储单元的内容能被随机存取，存取时间和存储单元的位置无关。
顺序存储器：按某种顺序存取，存取时间与存储单元按读写功能：
按信息保存性：
非永久记忆的存储器：断电后信息即消失。
永久记忆的存储器：断电后仍能保存信息。
1.2.3 RAM存储器的发展
RAM是仅次于CPU的器件之一。而CPU也把中间数据暂时放置在RAM中，所以RAM和CPU之间的速度保持匹配。
如今随着网络的发展高速数据通信系统所面临的压力越来越大，各大系统架构因此也必须考虑到高速数据通信所产生的一系列算法、结构、组成部件方面的问题，其中存储器就是高速通信系统的瓶颈[2]。随着外部存储器接口的速度不断提升，保证信号传输的完整性和准确性在越来越难的同时也显得越来越重要[2]。
Firstly，the main functions of the SRAM controller is investigated and verified, focuses on the analysis of the internal processing access controller command function partition and the sub circuit's work process, the basic idea and process and then study the FPGA design verification, SRAM memory and then choose a IS61WV102416ALL model as the research object, describes its focus on sequential pattern in the hardware description language (Verilog, HDL) description of the complete circuit design, the purpose is to design the SRAM controller of the sequence diagram. At the same time, ModelSim software and FPGA software is preferred. This article is written for the SRAM controller design using ModelSim software, the simulation and test. The top of the document the simulation waveform, the SRAM controller is verified, the results and design specifications.
3.3 芯片结构
主流的FPGA基于查找表技术，并且整合了常用模块。，FPGA芯片主要由7部分完成，分别为：丰富的布线资源、内嵌入块式RAM、完整的时钟管理基本可编程逻辑单元、可编程输入输出单元、嵌的底层功能单元和内嵌、专用硬件模块。
iii.FPGA设计的基本理念研究
由于本课题是基于FPGA进行设计、仿真与验证，所以在学习硬件语言的同时也要熟悉FPGA设计的一般流程与思想，然后我们对整个设计就有了明确的方向与步骤。
iv.ModelSim软件的应用
本论文主要应用ModelSim软件，运行Verilog HDL代码及后期FPGA验证都在这个平台上进行，在学习了上述知识以后就在ModelSim软件上进行SRAM控制器的设计，编码，运行，仿真以及验证等多项工作。
2.1.3 主要特点
现将它的特点归纳如下：
优点，速度快，不必配合内存刷新，提高整体工作效率。
缺点，掉电不保存数据，集成度低，体积较大，很少用在关键性系统上边。
2.1.4 主要用途
SRAM主要用于二级高速缓存用晶体管存储数据，无需刷新便能保存存储数据。但是
SRAM的速度快但昂贵，一般用小容量SRAM作为高速CPU和较低速DRAM 之间的缓存。
1.2 存储器概念和类型
1.2.1 存储器概念
存储器（Memory）是计算机中的记忆设备，用于存放程序和数据。计算机中信息，包括输入的数据、程序、中间运行结果和最终结果都在存储器中。根据控制器位置存入、取出。有了存储器以后，计算机方有记忆功能。按用途存储器有主存储器和辅助存储器。内存指存储部件，存放执行的数据，离开电源，数据会丢失[1]。外存是磁性介质等，能长久保存。
SRAM一般由五大部分组成，即存储单元阵列、地址译码器（包括行译码器和列译码器）、灵敏放大器、控制电路和缓冲/驱动电路[6]。
3 FPGA设计介绍
3.1 FPGA简介
FPGA是现场可编程门阵列的英文缩写，是一种半定制电路，它既解决了定制电路不足，又解决了可编程器件门电路数有限的缺点。
硬件描述语言完成的电路设计，可以简单的综合与布局，快速的烧录到 FPGA测试。这些可编辑元件被用来实现一些逻辑门电路。FPGA比专用集成芯片速度慢，功耗较低。因为芯片较差的可编辑能力，所以开发往往在普通FPGA上做成[7]。
因此在选择外部存储器时，需要从以下几个方面考虑：
1.带宽与速度
2.成本
3.存储数据的大小与容量
4.延迟
5.功耗
1.3本课题的内容和意义
本文的主要内容是设计一款满足HINOC外挂需求的SRAM控制器，并根据制定的测试例搭建基于HIMAC的仿真验证平台及进行FPGA验证。设计的SRAM控制器简单而且具有很高的灵活性，具体工作内容包括：
3.2 工作原理
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA，内部包括可配置逻辑模块CLB输出输入模块IOB和内部连线三个部分。 现场可编程门阵列是可编程器件，具有不同的结构。FPGA用查找表来实现组合逻辑，每个查找表连接到D触发器输入端，触发器驱动逻辑电路或驱动I/O，构成了既可组合逻辑功能又可时序逻辑功能的基本逻辑单元，这些模块利用连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑通过内部静态存储单元加载编程数据来实现，存储器单元的值决定了逻辑单元的逻辑功能、各模块之间或模块与I/O间联接方式，决定了FPGA所能实现的功能，FPGA可以无限次的编程。
关键词：FPGA；SRAM控制器； ModelSim； Verilog
Design and verification of a SRAM controller
Abstract
SRAM is English Static RAM abbreviation, namely static random access memory. It is a kind of static access memory, do not need to refresh the circuit which can save it internally stored data. So has the advantages of fast speed, high working efficiency, mainly used for cache. Design of the SRAM controller mainly through FPGA to complete the design process.
图2.1 SRAM结构图
SRAM的架构如图2.1所示，SRAM一般可分为五大部分：存储单元阵列，行/列地址译码器，灵敏放大器，控制电路，缓冲/驱动电路。SRAM是静态存储方式，以双稳态为存储单元，而且工作速度较快[4].2Βιβλιοθήκη 2基本原理2.2.1 结构原理
SRAM即静态RAM.由晶体管组成。断开表示0，接通代表1，状态能保持到改变信号为止。晶体管可以不刷新，断电的时候，就会和DRAM一样，失去信息。SRAM的速度快。每个SRAM单元由其他零件和四到六个晶体管组成。因此，它的价格贵，外形大，由于形状的差别，DRAM和SRAM不能互换[5]。
本课题研究的意义：
随着高速数据的发展，传统SRAM根本不能很好地满足如今的社会。外挂SRAM的灵活性与适应性使得其有着很好的应用前景，特别是HINOC系统的普及使得符合该系统的外挂SRAM控制器有极大发展空间，本文就致力于设计一个满足HINOC系统的外挂SRAM控制器并且在仿真平台上基于HIMAC功能进行FPGA验证。[3]
学位论文作者签名：_________________日期：_________________
关于论文使用授权的说明
本人完全了解商洛学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
□公开□保密（____年____月） (保密的学位论文在解密后应遵守此协议)
电子信息与电气工程学院2014 届本科毕业论文（设计）
SRAM控制器的设计与验证
专 业电子信息科学与技术
姓 名
学 号10033143
指 导 教 师
完 成 时 间2014.6
陕西商洛
独创性声明
本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得商洛学院或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
2 SRAM简介
2.1 基本介绍
2.1.1基本简介
SRAM（Static RAM）是指静态随机存储器。它具备静止和存取的功能，无需刷新便能保存存储数据。故SRAM有较高性能，同时SRAM也一些缺点，即集成度较低，SRAM体积大，功耗大。主板上SRAM存储器面积较大。
2.1.2 主要规格
一种是置于cpu与主存间的高速缓存，另一种是插在卡槽上的扩充用的高速缓存。SRAM速度快，不需要刷新操作，但是价格高，体积大，所以还不能作用量较大的主存。
i.SRAM控制器的原理研究
想要做好SRAM控制器的设计首先应对SRAM控制器深刻的理解，对其工作方式与原理有全面的认识，了解其各个管脚的作用并且熟悉其时序关系。这样才能在进行控制器的设计时有一个清晰准确的思路。
ii.熟悉Verilog HDL的基本编程
该控制器的设计是通过硬件语言Verilog HDL实现的，所以在了解SRAM控制器原理之后就是要掌握Verilog HDL语言的描述，了解其作为硬件语言与软件语言的相同点与不同点。这样我们就有了进行设计的基本工具。
Keywords:FPGA；SRAM controller；Verilog HDL；ModelSim
1 绪论
1.1研究背景
SRAM存储器自近几十年来以来以具有高速度和低功耗的特点在世界上得到了飞速发展与广泛应用。而随着半导体技术的飞跃，SRAM被越来越多地集成到电脑主板的CPU中。现如今SRAM控制器的应用目前主要分为两个领域：一是主要应用于网络设备的高性能，，二是主要应用于电子产品的低功耗低成本SRAM。因为SRAM在数据传输与存储中有重要的位置，所以人们努力来研究更高性能，更大容量的SRAM以满足人们需要。
签名： 导师签名： 日期：
SRAM
摘要
SRAM（Static RAM）即静态随机存储器。它具有静止存取功能，无需刷新电路便能保存内部数据。所以速度快，工作效率高，当代主要用于高速缓存。SRAM控制器的设计目前是通过FPGA设计流程完成。
本文首先对SRAM控制器的主要功能做了研究和验证，重点分析了控制器内部处理访问命令的功能划分和子电路的工作过程，接着研究了FPGA设计验证的基本思想与流程，然后选取一款IS61WV102416ALL型号的SRAM存储器为研究对象，重点描述了其时序图形，以硬件语言（Verilog HDL）描述所完成电路设计，目的是设计出符合该时序图的SRAM控制器。同时，ModelSim软件又是进行FPGA设计首选的仿真软件。本文正是利用ModelSim软件进行SRAM控制器的编写设计，仿真与测试。最终利用顶层文件仿真得到波形，对SRAM控制器的功能进行验证，得到结果与设计规范一致。
1.2.2 存储器分类
存储器基本分类方式有以下几种：
按存储方式：
随机存储器：存储单元的内容能被随机存取，存取时间和存储单元的位置无关。
顺序存储器：按某种顺序存取，存取时间与存储单元按读写功能：
按信息保存性：
非永久记忆的存储器：断电后信息即消失。
永久记忆的存储器：断电后仍能保存信息。
1.2.3 RAM存储器的发展