Apuntes de SytemVerilog

Tema 4. Memorias

22 de febrero de 2026

En el siguiente tema veremos cómo describir memorias. En SystemVerilog, las memorias RAM y ROM son fundamentales porque permiten modelar almacenamiento dentro del hardware digital.

Algunas aplicaciones de las memorias son: Buffers, Bancos de Registros en CPUs (ver procesador MIPS y arquitectura RISC-V), almacenamiento temporal de variables, etc.

Memoria RAM Doble Puerto

Las características de la RAM que hemos descrito son:

Doble puerto (1 lectura + 1 escritura).
Escritura síncrona; la operación de escritura está dentro del bloque always_ff, se ejecuta en flanco positivo del reloj si write_ena = 1

always_ff @(posedge clk)

begin

if (we)

memory[w_addr] <= w_data;

end

Lectura asíncrona (combinacional, no depende del reloj); si cambia read_addr, cambia inmediatamente read_data
Lectura y escritura pueden ocurrir en el mismo ciclo.

2. Memoria RAM Triple Puerto

Misma memoria RAM que en ejemplo anterior. Sólo se añade un segundo puerto de lectura read_data1 y se aumenta el número de posiciones a 16.

La escritura sigue siendo síncrona y al lectura puede ser síncrona o asíncrona en uno o los dos puertos read_data0 y read_data1. Sólo hay que quitar los comentarios para habilitar la opción que deseemos.

3. Memorias ROM

En SystemVerilog, una ROM (Read-Only Memory) es una estructura fundamental utilizada para almacenar datos constantes que no deben ser modificados durante la ejecución del sistema. A diferencia de la RAM, su contenido se define generalmente durante la fase de diseño.

Usos principales en SystemVerilog

Tablas de Búsqueda (Look-Up Tables - LUT): Se emplean para implementar funciones complejas (como senos, cosenos o logaritmos) donde, en lugar de calcular el valor en tiempo real, se accede a un resultado pre-almacenado usando la entrada como dirección.
Almacenamiento de Instrucciones: En el diseño de procesadores o microcontroladores, la ROM actúa como memoria de programa donde reside el firmware o código ejecutable.
Generación de Caracteres y Patrones: Utilizada en controladores de video (VGA/HDMI) para guardar los mapas de bits de fuentes o iconos estáticos.
Configuración de Hardware: Almacena parámetros de inicialización necesarios para que los componentes arranquen correctamente tras un reset.
Máquinas de Estados Basadas en ROM: Permite implementar lógica de control compleja almacenando el "siguiente estado" y las "salidas" en una tabla, lo que puede optimizar el uso de recursos en ciertos FPGAs.

¿Cómo se implementa una ROM en SystemVerilog?

Método 1: Con la declaración case (cuando es una ROM pequeña). Se sintetiza como lógica combinacional.

module rom_case (

input logic [2:0] addr,

output logic [7:0] data

);

always_comb begin

case(addr)

3'd0: data = 8'hA1;

3'd1: data = 8'hB2;

3'd2: data = 8'hC3;

3'd3: data = 8'hD4;

default: data = 8'h00;

endcase

end

endmodule

Método 2: Con array inicializado (más profesional)

module rom_array (

input logic [3:0] addr,

output logic [7:0] data

);

logic [7:0] mem [0:15];

initial begin

mem[0] = 8'h10;

mem[1] = 8'h20;

mem[2] = 8'h30;

mem[3] = 8'h40;

end

assign data = mem[addr];

endmodule

Método 3: utilizando archivos externos en formato hexadecimal o binario, mediante los comandos $readmemh o $readmemb, donde binary_truth_table.mem es un archivo que contiene los datos de la ROM. En el siguiente ejemplo la ROM tiene 32 posiciones y un tamaño de palabra de 16 bits.

module rom_with_file(

input logic [4:0] addr,

output logic [15:0] data

);

// signal declaration

logic [15:0] rom [0:31];

initial

$readmemb("binary_truth_table.mem", rom);

assign data = rom[addr];

endmodule

ROM desde archivo

Veamos un ejemplo de lectura de una ROM de 32 posiciones y 16 bits de ancho de palabra, cuyos datos están contenidos en un archivo .mem

Emplearemos una señal de reloj customizada, de 50 ms aplicada a un contador CNT que irá recorriendo las 32 posiciones de la ROM. La salida de la ROM es un bus de datos de 16 bits que conectaremos a los 16 ledes de la BASYS 3 para visualizar el contenido de la memoria.