RAM的两种应用：统计计数和位宽转换

应用1 统计计数

在进行模块设计时，我们经常需要统计报文的数量，以供软件（or 主机）读取，有些统计仅仅用于debug，有些统计是协议要求，有些统计是为了便于功能实现。

当需要统计的数量较多时，为了降低功耗和减少面积，我们通常采用RAM去实现。

如下案例中，统计有效数据包的个数。

假设数据中存在pkt_id，pkt_id为0~63，则ram的深度为64。pkt_id用于作为读写地址。RAM读延时为3个时钟周期。

有数据来临时，pkt_vld作为读使能，读出当前包计数rdata，三个周期后，rdata加1回写到ram。

如下图所示：需要有三个注意事项

NOTE1：需要有读写保护，因为可能出现连续4个周期内，pkt_vld为1，且pkt_id相同，此时会出现同一个周期对相同的地址进行读写，因此需要RAM需要添加读写保护模块，保证数据能够正确写入，且读出的都是最新值，否则就会出现统计错误。

NOTE2：图中既有软件读、又存在硬件读，且硬件读优先级更高，软件读优先级低，因此为了保证软件读能够在有效周期内得到响应，因此需要在主数据流上插入空拍，避免出现软件读长时间无法响应而产生超时。

应用2 位宽转换

在进行模块设计时，我们经常需要进行数据位宽的转换，常见的两种转换场景有同步时钟域位宽转换和异步时钟域位宽转换。本文将介绍异步时钟域位宽转换

异步时钟域的位宽转换读时钟和写时钟属于两个时钟。如下案例中，数据位宽由32bit转40bit，写时钟频率156.25MHz，读时钟频率125Mhz，写数据为32bit，读数据位宽为40bit，通过计算得到入口数据速率和出口数据速率保持一致（156.2532==40125）。

存储模块是由寄存器搭建的。那么需要多大存储模块呢？32和40的最小公倍数为160，极限场景下，只需要160bit的寄存器作为存储就够了，但是读操作通常晚于写操作，并且考虑到时钟有抖动有偏移，为了避免溢出，稍微增加一部分缓存，我们可以采用320bit作为存储模块。因此写侧32bit写10次，读侧40bit读8次，读写两侧所需的时间相等。

注意事项：写地址(wr_addr)跳转范围是09，读地址(rd_addr)跳转范围07。

如图所示：

buff_array为320bit的数据存储。

vld_array为80bit的有效标志位存储：vld_array[n]为1表示buff_array[4n+3:4n]存在4bit的有效数据。

always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
  if (~wr_rst_n) begin
    buff_array  <= {DATA_FIFO_DEPTH{1'b0}};
    vld_array <= {VALID_FIFO_DEPTH{1'b0}};
  end else begin
    if (wr_en) begin
        buff_array[ wr_addr*32  +: 32]  <= wr_data_i;
        vld_array[wr_addr*8 +: 8] <= {8{wr_valid_i}};
      end
    end
  end


reg [10-1:0] rd_valid_bus;
reg [40-1:0]  rd_data_bus;
always @(*) begin
  rd_data_bus[40-1:0]  = buff_array[  rd_addr*40  +: 40];
  rd_valid_bus[10-1:0] = vld_array[rd_addr*10 +: 10];
end
integer i;
reg [40-1:0] rd_data_valid_mask;
always @(*) begin
  for(i = 0; i < 40; i = i + 1) begin
      rd_data_valid_mask[i] = rd_valid_bus[i/4];
  end
end
always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
  if (~rd_rst_n) begin
    rd_data_o  <= {40{1'b0}};
    rd_valid_o <= 1'b0;
  end else begin
    if (rd_en) begin
      rd_data_o  <= rd_data_bus & rd_data_valid_mask;
      rd_valid_o <= |rd_valid_bus;
    end else begin
      rd_data_o  <= {40{1'b0}};
      rd_valid_o <= 1'b0;
    end
  end
end

审核编辑：汤梓红