1、前言

Vivado在生成memory的时候，有个Operating Mode选项。

本篇将专门分析这些工作模式的含义。

2、具体含义

官方解释如下：

“WRITE_FIRST” 模式，写操作时，输出端口会将当前写的数据输出。（ASIC中又称“write through”，或AWT，Async）
“READ_FIRST” 模式，写操作时，输出端口会将当前写地址的原数据输出。
“NO_CHANGE”模式，写操作时，输出端口会保持原值不变。只有在读操作的过程中输出端口才会变化。

不好理解没关系，下面列出图示和时序波形：

“WRITE_FIRST” 模式（ASIC中又称“write through”）
写入的数据一边写到RAM内核，一边输出到端口。

“READ_FIRST” 模式
写入的数据写到RAM内核，写地址指向的RAM数据输出到端口。

“READ_FIRST” 模式
写入的数据写到RAM内核。输出端口的数据（实际上有个寄存器）保持不变。

下面列出对应的代码，有人习惯从RTL代码上理解。此代码是可以被Vivado工具直接识别的。

“WRITE_FIRST”代码，可综合

//write port
always @(posedge clk) begin
if(en && we)
RAM[addr] <= di;
end
//read port
always @(posedge clk) begin
if(en)
if(we)
dout <= di;
else
dout <= RAM[addr];
end

“READ_FIRST”代码，可综合

//write port
always @(posedge clk) begin
if(en && we)
RAM[addr] <= di;
end
//read port
always @(posedge clk) begin
if(en)
dout <= RAM[addr];
end

“NO_CHANGE”代码，可综合

//write port
always @(posedge clk) begin
if(en && we)
RAM[addr] <= di;
end
//read port
always @(posedge clk) begin
if(en && !we)
dout <= RAM[addr];
end

其实，RTL还是更好理解一些的。

注意，http://www.elecfans.com/d/887964.html这篇文章的RTL部分“READ_FIRST” 代码和“NO_CHANGE”代码写的有问题。

3、应用和背景

在IC设计领域，FPGA主要用来做AISC的原型验证，即在FPGA上要实现一个与ASIC完全一致的设计，以此加速仿真，方便快速找到AISC设计的问题。

分享两个故事：

一个故事发生在前东家，有次生成FPGA的ram时，错把Operation Mode选成了“READ_FIRST” ，而恰好暴露出来一个之前没验证到的bug。为什么会这样呢？

Bug是这样的，这位designer把当前cycle写入ram的值，下一cycle直接在读接口上采样并使用了，这实际是利用了“WRITE_FIRST”（ASIC中叫“write through”）的特性。

在设计中，这样的操作是不允许的，虽然这样可以省掉一个read cycle，但这种设计的通用性很差，一旦更换ram，就会出问题。当时的项目就是迁移到新工艺节点，ram由原来的“write through”（对应FPGA的“WRITE_FIRST”）更新到了“no write through”（对应FPGA的“NO_CHANGE”），这样此designer的设计出问题了。

为什么ASIC仿真没有发现这个问题呢？

IC公司在ASIC仿真时为了加速，一般都是用自己写的ram sim model来做仿真模型的。工艺节点升级了，ram行为也由write through变成了no write through模式，而ram sim model却没有更新。因此，ASIC仿真并没有暴露出来这个问题。

幸亏这个bug在RTL freeze前暴露出来了，若是没有检查出来而流片了，那后果不堪设想。

另一个故事发生在现公司，遇到的问题也是类似原因。

Bug是这样的，一位designer设计时没有考虑好读写端口的配合，导致某种场景下会出现读的数据没来及取走，就已经向这个地址覆盖了新的数据的情况，且这种情况只会冲刷一个cycle。

若ram是write through模式，则会丢失一个数据；若是no write through模式，则恰好利用了读端口的保持特性规避了丢数据的问题。

本质上讲，这样的设计也是错误的，肯定要改设计，只不过项目已经进展到RTL freeze阶段，只能靠这种方式来规避了。

4、总结

上述提到的两处bug，都是因为设计者（包括写ram model的验证者）不了解ram的特性导致的。

建议要用脚本语言来生成FPGA、ASIC的ram，用GUI生成则很容易出错，且不好检查。
建议要用FPGA、ASIC的ram工具生成的ram model来做仿真，不要手写ram model。
设计者要用标准的读写时序进行设计，必须避免“利用端口特性的不规则设计”，

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