集成电路流片随笔7：ROM模块的学习tinyriscv

ROM (只读存储器) 模块：实现了一个简单的内存模型，其中可以存储数据并且可以读取数据。

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1. 输入输出端口：

input wire clk,        // 时钟信号
input wire rst,        // 复位信号

input wire we_i,                       // 写使能信号
input wire[`MemAddrBus] addr_i,        // 传递的地址信号
input wire[`MemBus] data_i,            // 写入的数据

output reg[`MemBus] data_o             // 读取的数据

• clk 和 rst：时钟和复位信号，用于同步电路的操作。
• we_i：写使能信号，用于决定是否向 ROM 中写入数据。如果 we_i 为 1，表示要执行写操作。
• addr_i：地址输入信号，用于指定要访问的 ROM 地址。
• data_i：要写入 ROM 的数据。
• data_o：ROM 的输出数据，用于读取指定地址的数据。

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2. ROM 存储单元：

reg[`MemBus] _rom[0:`RomNum - 1];

• _rom：一个 ROM 存储器数组，它用于存储从地址 0 到 RomNum - 1 的数据。_rom 的大小是由 RomNum 参数定义的。

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3. 写操作：

always @ (posedge clk) begin
    if (we_i == `WriteEnable) begin
        _rom[addr_i[31:2]] <= data_i;
    end
end

• 写操作：当 we_i 为 WriteEnable 时（即允许写操作），ROM 会根据传入的地址 (addr_i) 和数据 (data_i) 将数据写入到 _rom 数组中。
• addr_i[31:2]：地址信号的高 30 位被用作 ROM 数组的索引。由于每个数据单元是 32 位宽（即 4 字节），addr_i[31:2] 去除了最低的两位地址（即对齐到 4 字节的边界），因此地址从 0 到 RomNum - 1 的数据可以有效地映射到 ROM 数组中。

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理解 ROM 地址映射时，我们需要理解 字节对齐（byte alignment）的概念，尤其是针对像 ROM 这样的存储器。
为什么我们要使用 addr_i[31:2] 来做地址映射。

问题背景：

_rom[addr_i[31:2]] <= data_i;

为什么低地址是四字节边界？

1. ROM 中每个数据单元大小是 32 位，即每个数据单元占 4 字节。
2. 在计算机中，内存的 字节对齐 是一种优化方式，要求数据按照其大小对齐到特定的边界。在这种情况下，32 位数据（4 字节）通常对齐到 4 字节边界。换句话说，每次读写操作都需要访问 4 字节对齐的地址。

解释地址映射的步骤：

• addr_i[31:2]：在 Verilog 中，addr_i 是一个 32 位地址，而每个数据单元是 4 字节（32 位）。因为 addr_i 的最低两位（addr_i[1:0]）对应的是 字节偏移，对于 4 字节对齐的地址，最低的两位一定为 00，所以我们只需要关注 高 30 位（addr_i[31:2]）来索引 ROM 中的数据。

  • 低两位的作用：例如，地址 0x00000000 对应 ROM[0]，而地址 0x00000001、0x00000002、0x00000003 都不能单独访问 32 位数据单元，因为它们不满足 4 字节对齐的要求。通过 addr_i[31:2]，我们实际上在访问的是按 4 字节边界对齐的地址。

• 为什么要去掉低两位？：由于每个数据单元是 4 字节，所以我们不需要关心地址的低两位。通过将地址的低两位丢弃，我们确保访问的是 4 字节对齐的地址。

  • 例如，地址 0x00000000 映射到 ROM 的索引 0（_rom[0]）。
  • 地址 0x00000004 映射到 ROM 的索引 1（_rom[1]）。
  • 地址 0x00000008 映射到 ROM 的索引 2（_rom[2]）。
  • 依此类推……

• ROM 数组的索引：所以，实际上存储器数组 _rom 以 4 字节为单位来存储数据。当访问地址时，我们需要将 32 位的地址 addr_i 按 4 字节对齐来映射到 ROM 中的单元，这就是通过 addr_i[31:2] 来实现的。

更清楚的例子：

假设 RomNum 定义为 256，那么地址范围将从 0x00000000 到 0x000003FF（即 256 个 32 位数据单元）。每个数据单元占 4 字节，所以我们需要去除地址的低两位，确保访问的是每 4 字节一个单元的结构。（0x表示16进制。）
例如：

• 地址 0x00000000 映射到 _rom[0]。
• 地址 0x00000004 映射到 _rom[1]。
• 地址 0x00000008 映射到 _rom[2]。
• …
• 地址 0x000003FF 映射到 _rom[255]。

总结：

• 由于每个数据单元是 32 位（4 字节），为了访问对齐的内存块，地址的最低两位（addr_i[1:0]）必须为 00。
• 因此，通过 addr_i[31:2] 来计算 ROM 中的数据单元索引，去掉最低的两位地址。
• 这样做确保了访问的内存是 4 字节对齐 的。

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4. 读操作：

always @ (*) begin
    if (rst == `RstEnable) begin
        data_o = `ZeroWord;
    end else begin
        data_o = _rom[addr_i[31:2]];
    end
end

• 读操作：该 always 块是一个组合逻辑块，它在任何信号变化时都会被触发。
• 如果 复位信号 rst 为有效（RstEnable），则输出的数据 data_o 被设置为 ZeroWord，即 0。
• 如果没有复位，则根据传入的地址 addr_i，从 _rom 数组中读取对应位置的数据，并将其输出到 data_o。

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可能的修改/扩展：

• ROM 的初始化：当前 ROM 是空的，如果需要在仿真或硬件中加载预设数据，可以在初始化阶段填充 _rom 数组（比如通过一个初始化文件或者将数据直接嵌入到代码中）。
• 大小限制：目前 ROM 数组的大小是由 RomNum 定义的，可以根据需要调整其大小。如果 ROM 的数据量较大，还需要考虑是否需要在硬件设计中支持更多的存储单元。