FPGA設(shè)計(jì)的高速FIFO電路技術(shù)

本文主要介紹高速FIFO電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，相關(guān)電路主要有高速A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、SDRAM存儲(chǔ)器等。圖1為本方案的結(jié)構(gòu)框圖。在大容量高速采集系統(tǒng)項(xiàng)目的開發(fā)過(guò)程中，F(xiàn)PGA作為可編程邏輯器件，設(shè)計(jì)靈活、可操作性強(qiáng)，是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的核心器件。由于FPGA內(nèi)嵌存儲(chǔ)器的容量有限，通常不能夠滿足實(shí)際設(shè)計(jì)電路的需求，需要外接SRAM、SDRAM、磁盤陣列等大容量存儲(chǔ)設(shè)備。

A/D輸出的數(shù)據(jù)流速度快，經(jīng)過(guò)FPGA降速后，位數(shù)寬，速度仍然很高，不能直接存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器。在設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)過(guò)FIFO緩存，然后才能存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)的FIFO容量小、功能強(qiáng)，充分利用了FPGA內(nèi)部FIFO電路的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際電路，優(yōu)化了整個(gè)電路模型的設(shè)計(jì)。

　　異步FIFO生成

　　FIFO占用的內(nèi)存資源為FPGA內(nèi)嵌的block RAM，由Xilinx公司提供的ISE開發(fā)平臺(tái)自動(dòng)生成。讀寫時(shí)鐘有通用時(shí)鐘和獨(dú)立時(shí)鐘可選，我們采用獨(dú)立時(shí)鐘，rd_clk和wr_clk獨(dú)立，為了保證在高速采集時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，rd_clk頻率不低于wr_clk。FIFO讀模式采用標(biāo)準(zhǔn)FIFO，每次啟動(dòng)采集時(shí)都要對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位，為異步復(fù)位，初始化內(nèi)部指針和輸出寄存器。在FIFO生成過(guò)程中，我們啟用almost_full 和almost_empty選項(xiàng)，以及prog_full 和prog_empty選項(xiàng)，prog_full和prog_empty要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如圖2所示。

　　FIFO接口信號(hào)定義

　　根據(jù)FIFO的生成過(guò)程，在圖3中給出了讀寫時(shí)鐘域的信號(hào)定義，所有的在寫時(shí)鐘域的輸入信號(hào)都必須經(jīng)過(guò)寫時(shí)鐘同步，所有的在讀時(shí)鐘域的輸入信號(hào)都要經(jīng)過(guò)讀時(shí)鐘同步。信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)鐘同步后，可以確保在讀寫過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致讀寫操作出現(xiàn)錯(cuò)誤。

下面對(duì)讀寫時(shí)鐘域定義信號(hào)給予說(shuō)明：

　　rst:復(fù)位信號(hào)，高有效，異步復(fù)位，每次啟動(dòng)采集都要首先對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位;

　　wr_clk：寫時(shí)鐘;

　　wr_en：與寫時(shí)鐘同步;

　　din：輸入數(shù)據(jù)總線;

　　rd_clk:讀時(shí)鐘;

　　dout：輸出數(shù)據(jù)總線;

　　full：FIFO全滿標(biāo)志;

　　empty：FIFO全空標(biāo)志;

　　almost_full：高有效，如果為高電平，在寫一個(gè)數(shù)據(jù)FIFO將全滿;

　　almost_empty：高有效，如果為高電平，在讀一個(gè)數(shù)據(jù)FIFO將全空;

　　prog_full：可編程滿標(biāo)志，根據(jù)需要，可以設(shè)定FIFO內(nèi)部有多少數(shù)據(jù)，該標(biāo)志信號(hào)有效;

　　prog_empty：可編程空標(biāo)志，根據(jù)需要，可以設(shè)定FIFO內(nèi)部有多少數(shù)據(jù)，該標(biāo)志信號(hào)有效;

　　wr_data_count：說(shuō)明FIFO內(nèi)部已經(jīng)寫了多少數(shù)據(jù);

　　rd_data_count：說(shuō)明FIFO內(nèi)部有多少數(shù)據(jù)可以讀。

　　FIFO控制電路設(shè)計(jì)

　　實(shí)際電路設(shè)計(jì)不考慮讀寫時(shí)鐘的頻率和相位的異同，讀寫時(shí)鐘域的電路基于同步電路設(shè)計(jì)的理念來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，滿足讀時(shí)鐘頻率不低于寫時(shí)鐘頻率即可。在圖4中給出了FIFO控制電路的流程圖，下面將對(duì)低速傳輸和高速傳輸進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　低速采集數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

　　在圖5給出了低速采集時(shí)傳輸周期時(shí)序仿真時(shí)序圖，在低速采集時(shí)，寫時(shí)鐘頻率小于讀時(shí)鐘，每次觸發(fā)長(zhǎng)度為FIFO長(zhǎng)度的一半。采集結(jié)束即剩余數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L(zhǎng)度不到FIFO的一半。根據(jù)prog_full的設(shè)置，在prog_full有效，同時(shí)采集門控信號(hào)有效時(shí)啟動(dòng)觸發(fā)請(qǐng)求，由于prog_full為寫時(shí)鐘域信號(hào)，必須要經(jīng)過(guò)rd_clk同步，源代碼如下：

　process(rd_clk,acq_start_rst)
　　begin
　??? if acq_start_rst=’1’then
　　?????? prog_full_dly<=’0’;
　?????????????? prog_full_dly1<=’0’;
?? elsif rd_clk’event and rd_clk=’1’
?? then
?????????? if acq_gate= ’1’ then?
???????????????? prog_full_dly<=prog_full;
???????????????? prog_full_dly1<=prog_
???????????????? full_dly;
else
?? prog_full_dly<=’0’;
　? prog_full_dly1<=’0’;?
　end if;
end if;
end process;

　　當(dāng)FIFO半滿時(shí)觸發(fā)讀請(qǐng)求有效，acq_frame_l為低電平，啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，地址和數(shù)據(jù)同時(shí)有效，sdram控制器給出應(yīng)答信號(hào)acq_trdy_l，長(zhǎng)度由FIFO讀寫控制電路決定，觸發(fā)一次的長(zhǎng)度為32，即FIFO半滿的長(zhǎng)度，傳輸完畢，給出傳輸結(jié)束標(biāo)志信號(hào)acq_blast，一次傳輸周期結(jié)束。采集門控信號(hào)結(jié)束后，F(xiàn)IFO剩余數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不足32，這時(shí)候啟動(dòng)門控結(jié)束傳遞進(jìn)程，觸發(fā)結(jié)束標(biāo)志由almost_empty決定，當(dāng)alomost_empty有效時(shí)，停止觸發(fā)。

高速采集數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程

　　在高速采集時(shí)，讀時(shí)鐘頻率等于寫時(shí)鐘頻率，當(dāng)啟動(dòng)觸發(fā)傳輸時(shí)，觸發(fā)傳輸長(zhǎng)度為門控信號(hào)長(zhǎng)度，直到將FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸完畢，觸發(fā)結(jié)束標(biāo)志由almost_empty決定，當(dāng)alomost_empty有效時(shí)，停止觸發(fā)傳輸，觸發(fā)傳輸過(guò)程如圖6所示。

　　結(jié)語(yǔ)

　　采用高速異步FIFO作為數(shù)據(jù)采集緩存，應(yīng)用范圍十分廣泛。特別是在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在外接存儲(chǔ)器時(shí)，采集數(shù)據(jù)首先要經(jīng)過(guò)緩存才能存入外部存儲(chǔ)器，采用FPGA自生成FIFO就能夠滿足要求。本方案充分利用FIFO的特點(diǎn)，通過(guò)控制電路優(yōu)化設(shè)計(jì)，解決了讀寫時(shí)鐘的異同問(wèn)題，提高了電路的工作效率。

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