实验 3：SRAM 控制器实验
存储器系统是计算机中存放程序和数据的场所，分为内存和外存。ThinPAD-Cloud 教学计算机设置了两组 SRAM 作为内存。本实验主要完成内存存储器的读写访问过程。
模板文件
本实验的顶层模块模板：thinpad_top.srcs/sources_1/new/lab4/lab4_top.sv
实验目的
- 熟悉 ThinPAD-Cloud 教学计算机内存储器的配置及与总线的连接方式；
- 掌握教学机内存（SRAM）的访问时序和方法；
- 理解总线数据传输的基本原理。
实验内容
使用教学计算机上的 FPGA 芯片，设计一个 Wishbone 协议的 SRAM 控制器，完成对存储器 SRAM 的访问。
在完成 SRAM 控制器之前，你需要阅读本实验的文档：
- SRAM：讲解了 SRAM 相关的信号和 SRAM 的读写时序
- Wishbone 总线协议：介绍了 Wishbone 协议的内容
- Wishbone SRAM 控制器：讲解了如何实现一个 Wishbone 协议的 SRAM 控制器
- 三态门：补充了三态门相关的知识
阅读完以后，就可以对着文档和提供的框架代码进行编写，你只需要编写 sram_controller 模块，无需修改 lab4_top 或 sram_tester，但强烈建议阅读它们，以便熟悉本实验的整体结构。
评测流程
实验模板里提供了用于本实验的顶层模块 lab4_top。顶层模块例化了 sram_tester 模块，它会作为 Wishbone Master 向同学编写的 SRAM 控制器发起读或写请求，并且检查它的正确性。同时，顶层模块还例化了两次同学编写的 SRAM 控制器，分别用于控制 BaseRAM 和 ExtRAM。为了根据地址来区分要访问的是 BaseRAM 还是 ExtRAM，实验模板中提供了 wb_mux_2 模块，表示 1 个主接口到 2 个从接口（简称 1M2S）的多路复用器。
flowchart LR
sram_tester --> wb_mux;
wb_mux --> sram_controller_base;
wb_mux --> sram_controller_ext;测试模块 sram_tester 的行为是：
- 等待
push_btn按下； - 当
push_btn按下的时候，从拨码开关读取随机数生成器的种子； - 随机数生成器不断生成新的随机数；
- 根据随机数生成若干个内存的读和写请求；
- 向同学编写的 SRAM 控制器发起请求；
- 检查请求的行为是否符合要求。
内存数据验证
在实验的过程中，在线的程序将在每轮测试结束后，读取 BaseRAM 和 ExtRAM 存储器中的数据，并与预期数据比较。
评测提示
评测脚本使用的随机数种子固定为 0x1。在线实验调试时，为了与自动评测现象一致，需要将最右侧的拨码开关设置为 ON 位置，即将随机种子设置为 0x1。该情况下，使用内存总线分析功能，获取到的访存序列开头如下：
访存序列
平台上的“内存总线分析”功能，仅支持对 BaseRAM 的访问记录，不支持 ExtRAM 的访问记录。因此，此处看到的访存序列，与仿真中的不完全一致，只包含 Wishbone 地址为 0x8000_0000 至 0x803F_FFFF 的访问记录。
此外，工具显示的地址单位为 byte，由于 SRAM 的数据线宽度为 32 位，此处显示的应该是 Wishbone 地址，抹去最后两位的数据。
原理图
实验步骤
本实验的完成需要用 FPGA 芯片来控制存储芯片的读写，根据实验要求，需要在 FPGA 中实现 Wishbone 协议的 SRAM 控制器。具体步骤如下：
-
做好准备： a. 阅读本实验前的相关内容介绍； b. 阅读提供的框架代码
lab4_top.sv。 -
定义状态机： a. 根据 SRAM 文档设计状态机； b. 实现读和写两种请求的状态机状态转移流程。
-
仿真测试： a. 在 Vivado 中启动仿真； b. 观察仿真中总线的请求过程； c. 调试直到仿真中的行为符合预期。
-
上板验证： a. 将编译好的设计烧入实验板； b. 拨动拨码开关预设一个值，这个值作为随机数生成器的初始种子； c. 打开实验平台的内存总线录制功能； d. 按下按钮，启动一次随机的内存访问； e. 观察 LED 灯显示的评测结果； f. 观察录制的内存访问历史； g. 记录实验结果。
按钮极性
实验板上拨码开关 SW1～SW32 是 ON 端表示 1，相反表示 0；时钟和复位按钮 CLK、RST 均是按下为 1，放开为 0。
思考题目
- 静态存储器的读和写各有什么特点？
- 什么是 RAM 芯片输出的高阻态？它的作用是什么？
- 本实验完成的是将 BaseRAM 和 ExtRAM 作为独立的存储器单独进行访问的功能。如果希望将 Base_RAM 和 Ext_RAM 作为一个统一的 64 位数据的存储器进行访问，该如何进行？
实验提示
本实验最重要的一点是对于 SRAM 说明书中读写时序的理解，只有正确理解了时序，按照说明书的要求给出信号，SRAM 就可以正确地响应。因此，在实验之前必须阅读和理解一下 SRAM 的说明书，理解一下时序的概念。
常见的错误：
-
注意，在 Thinpad 实验平台中，内存是按照字编址的（不是按照字节编址的），字的位宽是 32 位，但是在 RISC-V 中是按照字节寻址的。因此，这里面两者是有差异的，需要考虑如何把对于字节的访问翻译为对应的对于字的访问（当然需要配合字节的使能信号）。在本实验中体现不明显，在后面的处理器实验中必须要考虑到这一点。
-
如果使用云平台上的读写内存的工具，在进行读写的时候 FPGA 内部的电路会被清空，在读写完成之后会重新写入 FPGA，这个时候整个系统就跟刚刚把 bit 文件下载到 FPGA 中一样。
实验报告要求
-
给出你的 SRAM 状态机设计，并解释每个状态对应的功能。
-
设定一个随机种子进行仿真，给出部分仿真波形，初步说明设计的正确性。
-
在云平台上使用与第 2 步中相同的种子进行实验，使用云平台工具记录前 20 次读写操作，与仿真结果进行比较。
-
回答思考题。