在以太网工程中， 我们使用了很多双端口RAM IP核用于数据的交换。更多关于双端口RAM的其它应用及使用原理，参见文章 Vivado下利用TDP RAM 实现乒乓Buffer实例，高速通信乒乓Buffer数据缓冲Verilog实现–发送端 和相应视频。双端口RAM在FPGA设计中会被经常使用，主要有以下几个优点：隔离不同的时钟域，隔离上下级的行为逻辑，实现带宽转换（利用面积换取速度），实现乒乓buffer和实现包结构存储（利用地址指针）。
- 隔离不同的时钟域：利用双端口RAM 实现不同时钟域的数据交换。 双端口a，b端可以使用不同的时钟来实现不同的数据转换。
- 隔离上下级的行为逻辑：利用双端口RAM ，可以处理不同的上下级行为逻辑， 在对a端操作时，只要专注a 端的行为逻辑， 不需要考虑b端数据的逻辑耦合。 同理在处理b端的行为逻辑时，也不需要考虑a端的行为。
- 实现带宽转换：利用双端口RAM 例化时的口线宽度不同，实现不同的数据速率。 这种方法是利用更改双端口RAM 口线宽度，利用面积来换取速度。 举例：a，b端都是100M时钟，a端口线为8-bit； b端口线为16-bit。很显然，b端口的数据吞吐率 是a端口的2倍。
- 实现乒乓buffer： 乒乓buffer是在数据通讯中经常使用的一种手段， 利用乒乓buffer 可以合理的利用FPGA资源，提高通讯的速度。也就是说在读取数据时， 写数据依然可以正常操作。
- 实现包结构存储：利用双端口的地址可以自由移动的特性，可以有效的写入或者读取数据。 这一点要比FIFO灵活得多， FIFO写入的数据将不能被更改， 同样，FIFO读取时只能顺序读取，不能随机地址读取。双端口正好利用了地址自由移动的特性， 可以有效的写入数据，当数据发生错误时，只要标识这些数据是作废的，就可以重复的使用地址空间了。同样的， 在读取双端口的数据时， 也是可以用跳跃地址的方式读取， 而不像FIFO只能顺序读取数据。
以太网工程中使用的双端口RAM如下图所示：
图1
目的：写入数据到双端口，写入的数据包的长度为64- 1514左右（bytes）。利用双端口实现数据的传输和时钟域的转换。这里我们使用乒乓buffer，每个buffer的深度为2048 bytes，所以每个buffer完全可以保证存储一个1514 bytes 的数据包。由于是乒乓buffer，在例化双端口时，双端口的容量为4096 bytes。
在以太网实验中使用的双端口RAM有以下三种，下文将分别对其进行详细的介绍。
1.使用a，b 端都是8-bit的双端口RAM实现数据传输
由于要存储1518 bytes的数据， 所以每个buffer的容量为2048 bytes，完全可以保证数据存储。 所以在数据存储时，正常情况下地址不会超过1518（每个地址，存储一个8bit的数据），就可以利用2046， 2047 这两个子地址，作为存储当前包的封口和长度标识（pkg_flag， length ），其中length表示数据包的字节长度。
乒乓buffer的使用：
图2
发送数据流从a端口写入：
双端口的a 端的地址有乒乓buffer 指针和子地址组成。 addra = {ida, addra_sub}; 其中ida 为乒乓buffer的指针， addra_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）ida = 0（buffer 0）， 跳转到2）
2）addra_sub = 2047, 从2047子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data[7])， 表示这个buffer里面有 有效数据， 暂时不能被破坏，一直读取2047 这个子地址里面的数据。 直到数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，表明当前buffer可以用来存储数据，跳转到4）
4）addra_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始存储（写）数据， 每写1 byte 数据， 地址 加一（addra_sub = addra_sub + 1） 。 如果一个整包全部写入后，跳转到5）
5）addra_sub = 2046 , 写入数据length 的低8位【7：0】， 在addra_sub = 2047写入 数据length 的【11：8】 位， 同时在2047子地址的最高为写入 1（pkg_flag），表示这个包写入成功，跳转到6）
6）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， ida = 1 （转换到buffer 1）， 返回2）
数据流从b端口读出：
双端口RAM b端的地址由乒乓buffer 指针和子地址组成。 addrb = {idb, addrb_sub}; 其中idb 为乒乓buffer的指针， addrb_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）idb = 0， 跳转到2）
2）addrb_sub = 2047, 从2047子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data_out[7])， 表示这个buffer里面有 有效数据， length【11：8】 = data_out[3:0], 跳转到4）；
如果数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，一直读取数据，直到data_out[7] 为 1
4）addrb_sub = 2046, 从2046子地址中读取数据，length【7：0】 = data_out[7:0], 跳转到5）
5）addrb_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始读取数据， 每读1 byte 数据， 地址 加一（addrb_sub = addrb_sub + 1） 。 当读取的数据长度等于 length，跳转到6）
6）addrb_sub = 2047，在这个子地址上回写数据 0（当前buffer 使用结束， 清除 pkg_flag 位）， 跳转到7）
7）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， idb = 1 ， 返回2）
2.使用a，b 端都是16-bit的双端口RAM实现数据传输
由于要存储1500 bytes的数据， 所以每个buffer的容量为2048bytes，完全可以保证数据存储。 在数据存储时，地址永远不会超过1500，（每个地址，存储一个16-bit的数据），利用1023 这个子地址作为存储当前包的封口和长度标识（pkg_flag，3’b000， length 【11：0】），其中length表示数据包的字节长度。
乒乓buffer的使用：
图3
在数据流从a端口写入：
双端口的a 端的地址由乒乓buffer 指针和子地址组成。 addra = {ida, addra_sub}; 其中ida 为乒乓buffer的指针， addra_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）ida = 0， 跳转到2）
2）addra_sub = 1023, 从1023子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data[15])， 表示这个buffer里面有 有效数据， 暂时不能被破坏，一直读取1023 这个子地址里面的数据。 直到数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，表明当前buffer可以用来存储数据，跳转到4）
4）addra_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始存储（写）数据， 每次写2-byte 数据， 地址 加一（addra_sub = addra_sub + 1） 。 如果一个整包全部写入后，跳转到5）
5）将addra_sub = 1023 , 写入数据length 【11：0】， 同时在1023子地址的数据最高位写入 1（pkg_flag），表示这个包写入成功，跳转到6）
6）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， ida = 1 ， 返回2）
在数据流从b端口读出：
双端口RAM的b端的地址由乒乓buffer 指针和子地址组成。 addrb = {idb, addrb_sub}; 其中idb 为乒乓buffer的指针， addrb_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）idb = 0， 跳转到2）
2）addrb_sub = 1023, 从1023子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data_out[15])， 表示这个buffer里面有 有效数据， length【11：0】 = data_out[11:0], 跳转到4）；如果数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，一直读取当前1023地址，直到data_out[15] 为 1
4）addrb_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始读取数据， 每读2-byte 数据， 地址 加一（addrb_sub = addrb_sub + 1） 。 当读取的数据长度等于 length，跳转到5）
5）addrb_sub = 1023，在这个子地址上回写数据 0（当前buffer 使用结束， 清除 pkg_flag 位）， 跳转到6）
6）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， idb = 1 ， 返回2）
3.使用不等宽双端口RAM进行数据传输（a端是8-bit，b 端是16-bit）
由于要存储1500 bytes的数据， 所以每个buffer的容量为2048 bytes，完全可以保证数据存储。 所以在数据存储时，地址永远不会超过1500，（a端口，每个地址，可以写入8-bit的数据；b端口，每个地址可以读出16-bit ），这样，我们就利用2046， 2047 这两个子地址，作为存储（写）当前包的封口和长度标识（pkg_flag， length ），其中length表示数据包的字节长度。
乒乓buffer的使用：
图4
在数据流从a端口写入：
双端口RAM的a 端的地址由乒乓buffer 指针和子地址组成。 addra = {ida, addra_sub}; 其中ida 为乒乓buffer的指针， addra_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）ida = 0， 跳转到2）
2）addra_sub = 2047, 从2047子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data[7])， 表示这个buffer里面有 有效数据， 暂时不能被破坏，一直读取2047 这个子地址里面的数据。 直到数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，这个buffer可以用来存储数据，跳转到4）
4）addra_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始存储（写）数据， 每写1 byte 数据， 地址 加一（addra_sub = addra_sub + 1） 。 如果一个整包全部写入后，跳转到5）
5）检查写入的这些数据是否都是有效的。 举例： 比如写入一个整包的数据后才发现CRC检验是错误的， 代表整包是不正确的，跳转到2）。如果整包的数据都是有效的， 那么将addra_sub = 2046 , 写入数据length 的低8位【7：0】， 在addra_sub = 2047写入 数据length 的【11：8】 位， 同时在2047子地址的最高位写入 1（pkg_flag），表示这个包写入成功，跳转到6）
6）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， ida = 1 ， 返回2）
在数据流从b端口读出：
双端口RAM的b端的地址由乒乓buffer 指针和子地址组成。 addrb = {idb, addrb_sub}; 其中idb 为乒乓buffer的指针， addrb_sub 为当前乒乓buffer的子地址。
1）idb = 0， 跳转到2）
2）addrb_sub = 1023, 从1023子地址中读取数据， 跳转到3）
3）如果数据的最高位为1 (data_out[15])， 表示这个buffer里面有 有效数据， length【11：0】 = data_out[11:0]，跳转到4）；如果数据的最高位为0，标识当前的buffer为空，一直读取地址1023的数据，直到data_out[15] 为 1
4）addrb_sub = 0; 地址指针指向 子地址0 ， 开始读取数据， 每读2-byte 数据， 地址 加一（addrb_sub = addrb_sub + 1） 。 当读取的数据长度等于 length，跳转到5）
5）addrb_sub = 1023，在这个子地址上回写数据 0（当前buffer 使用结束， 清除 pkg_flag 位）， 跳转到6）
6）更改地址到 乒乓buffer 的buffer 1 上， idb = 1 ， 返回2）
4.总结
从上面的3个例子可以看出， 写入端（a 端）写入数据时，并不需要关心b端的情况； 同时 读出端（b端）读取数据时，也不关心a端的写入情况。 即 a，b端都是可以独立工作的，从而实现行为上的分离； 同时 a，b端口的时钟是可以异步的， 这样就实现的异步时钟域之间的数据转换。
