利用FPGA實(shí)現(xiàn)雙口RAM的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

概述：為了在高速采集時不丟失數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和CPU之間設(shè)置一個數(shù)據(jù)暫存區(qū)。介紹雙口RAM的存儲原理及其在數(shù)字系統(tǒng)中的應(yīng)用。采用FPGA技術(shù)構(gòu)造雙口RAM，實(shí)現(xiàn)高速信號采集系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)存儲和時鐘匹配。功能仿真驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的正確性，該設(shè)計(jì)能減小電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，增強(qiáng)設(shè)計(jì)的靈活性和資源的可配置性能．降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期。

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的高速數(shù)據(jù)采集和在線測試對現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)和儀器儀表的功能和性能提更高要求。CPU并行工作(雙單片機(jī)系統(tǒng))方式得到廣泛應(yīng)用。為了使2個單片機(jī)能夠快速有效交換信息，充分利用系統(tǒng)資源，采用雙口RAM實(shí)現(xiàn)存儲器共享是目前較為流行的方法。

　　大容量、高速FPGA器件具有集成度高、體積小、靈活可重配置、實(shí)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)小等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電路設(shè)計(jì)采用l片F(xiàn)PGA器件、存儲設(shè)備和一些電氣接口匹配電路的解決方案已成為主流選擇方案。用FPGA來實(shí)現(xiàn)雙口RAM的功能可以很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性使得基于FPGA的雙口RAM易于進(jìn)行修改、測試及系統(tǒng)升級，可降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期。

　　1 雙口RAM簡介

　　雙口RAM是在1個SRAM存儲器上具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨(dú)立的系統(tǒng)同時對其進(jìn)行隨機(jī)性訪問的存儲器，即共享式多端口存儲器。雙口RAM最大的特點(diǎn)是存儲數(shù)據(jù)共享。1個存儲器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨(dú)立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因?yàn)閿?shù)據(jù)共享。則必須具有訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配：信令交換邏輯(例如中斷信號)等。雙口RAM可用于提高RAM的吞吐率，適用于實(shí)時數(shù)據(jù)緩存。

　　CY7C006A是Cypress公司生產(chǎn)的16 kb×8高速雙口靜態(tài)RAM，存取速度小于20 ns。該器件具有真正的雙端口，可以同時進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，兩個端口具有獨(dú)立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，另外通過主／從選擇可以方便地?cái)U(kuò)存儲容量和數(shù)據(jù)寬度。通過器件的信號量標(biāo)志器，左、右兩端口可以實(shí)現(xiàn)器件資源共享。

　　2 雙口RAM在FPGA中的實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)采用自頂而下的設(shè)計(jì)思想。選用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，基于低功耗45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術(shù)，提供高級功耗管理技術(shù)，150 000個邏輯單元，集成式PCI Express模塊，高級存儲器支持。250 MHz DSPslice和3．125 Gb／s低功耗收發(fā)器。通過Verilog HDL語言對雙口RAM功能的描述就能在一片F(xiàn)PGA器件內(nèi)實(shí)現(xiàn)8位16字節(jié)的雙口RAM，并進(jìn)行讀寫操作控制。雙口RAM讀寫操作控制Verilog HDL代碼如下：

　　圖l是雙口RAM的Verilog HDL代碼在Xilinx ISE中綜合后的寄存器傳輸級電路圖。

　　功能仿真的是Xilinx公司已經(jīng)建立自己的編譯庫的Modelsim XEⅢ6．2c軟件，仿真結(jié)果如圖2所示，滿足設(shè)計(jì)要求。

　　經(jīng)Xilinx ISE軟件綜合實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，生成可下載的比特流，將其下載到FPGA中，實(shí)現(xiàn)雙口RAM的功能。FPGA器件內(nèi)部具有豐富的資源，可以在實(shí)現(xiàn)雙口RAM基本功能的基礎(chǔ)上。滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其他需求，且靈活可配置。

　　3 基于FPGA的雙口RAM應(yīng)用

　　雙口RAM在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量情況下會造成數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。在一些實(shí)時控制場合，實(shí)時算法經(jīng)常需要由幾個DSP串行或并行工作以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度和實(shí)時性。以雙口RAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)接口可以在兩個處理器之間進(jìn)行高速可靠的信息傳輸。此外，雙口RAM可以應(yīng)用在智能總線適配卡、網(wǎng)絡(luò)適配卡中作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。在許多寬帶信號處理領(lǐng)域(如無線通信、多媒體系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等)，F(xiàn)PGA技術(shù)已代替DSP實(shí)現(xiàn)許多前端的數(shù)字信號處理算法。用FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理能很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)易于修改、測試及系統(tǒng)升級，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期。任何一種自動控制系統(tǒng)都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響整體系統(tǒng)的工作性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速、實(shí)時發(fā)展趨勢，對數(shù)據(jù)的傳輸和控制速度提出較高要求。而采用雙口RAM可有效提高速度，解決速度匹配問題。

　　設(shè)計(jì)l塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板，用FPGA實(shí)現(xiàn)雙口RAM功能，并且控制A／D采樣與轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)寫入雙口RAM。利用單片機(jī)控制雙口RAM的存取，構(gòu)成一個獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以通過串行接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。圖3為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

　　首先，時鐘產(chǎn)生啟動信號，F(xiàn)PGA向采樣開關(guān)發(fā)出選通信號，選定模擬開關(guān)采樣，第0路模擬量進(jìn)入，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?位數(shù)字量并存儲于雙口RAM中，ADC0809反饋給FPGA內(nèi)控制電路并告知轉(zhuǎn)換完畢，F(xiàn)PGA內(nèi)控制電路再選通第1路模擬量進(jìn)入，重復(fù)上述過程。經(jīng)過0．1 ms后，時鐘又產(chǎn)生一個脈沖啟動信號。FPGA又重新從第O路模擬量選通。

　　在時鐘脈沖信號0．1 ms過程中，F(xiàn)PGA順序通過0～7路模擬開關(guān)，在每次選通時須判斷是否為第7路模擬量，若是則FPGA不再響應(yīng)A／D反饋信號，而是等待0．1ms的時鐘脈沖信號到達(dá)再重新開始工作。單片機(jī)用于與外部PC機(jī)通信，PC機(jī)查詢是否在雙端口RAM中有新數(shù)據(jù)，并經(jīng)接口電路讀人數(shù)據(jù)。其中雙口RAM具有2組獨(dú)立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可對任何一個端口進(jìn)行獨(dú)立的操作。若未采用雙口RAM，F(xiàn)PGA采取中斷方式對CPU傳輸數(shù)據(jù)時，CPU就會停止當(dāng)前工作而去處理外部請求，當(dāng)處理完外部事件后再回到原來被中止處，繼續(xù)原來的工作，這樣會影響CPU的速度。因此引入雙口RAM存儲FPGA傳送來的數(shù)據(jù)，然后CPU再從雙口RAM中讀數(shù)，從而提高效率。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于FPGA雙口RAM、單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)行處理和控制功能，使系統(tǒng)的通信和處理能力大大加強(qiáng)，保證了系統(tǒng)的實(shí)時性，可以靈活地通過多種方式控制數(shù)據(jù)讀寫。

　　4 結(jié)束語

　　本文充分利用FPGA內(nèi)部豐富的硬件資源和Verilog HDL語言的靈活性，在FPGA內(nèi)實(shí)現(xiàn)了雙口RAM的基本功能，并通過設(shè)計(jì)一塊數(shù)據(jù)采集板介紹基于FPGA技術(shù)的雙口RAM的應(yīng)用，該系統(tǒng)減小了設(shè)計(jì)電路的復(fù)雜性，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的靈活性和資源的可配置性。整個系統(tǒng)分工明確，構(gòu)成合理，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。