基于FPGA的雙口RAM實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

摘要：為了在高速采集時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)暫存區(qū)。介紹雙口RAM的存儲(chǔ)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(hào)采集系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和時(shí)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(kāi)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(xiàn)測(cè)試對(duì)現(xiàn)代工業(yè)測(cè)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(gè)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(chǔ)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(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電路設(shè)計(jì)采用l片FPGA器件、存儲(chǔ)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(lái)實(shí)現(xiàn)雙口RAM的功能可以很好地解決并行性和速度問(wèn)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(cè)試及系統(tǒng)升級(jí)，可降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1 雙口RAM簡(jiǎn)介

雙口RAM是在1個(gè)SRAM存儲(chǔ)器上具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)和讀寫(xiě)控制線(xiàn)，并允許兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)同時(shí)對(duì)其進(jìn)行隨機(jī)性訪(fǎng)問(wèn)的存儲(chǔ)器，即共享式多端口存儲(chǔ)器。雙口RAM最大的特點(diǎn)是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享。1個(gè)存儲(chǔ)器配備兩套獨(dú)立的地址、數(shù)據(jù)和控制線(xiàn)，允許兩個(gè)獨(dú)立的CPU或控制器同時(shí)異步地訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)單元。因?yàn)閿?shù)據(jù)共享。則必須具有訪(fǎng)問(wèn)仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對(duì)同一地址單元訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)序控制；存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)塊的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限分配：信令交換邏輯(例如中斷信號(hào))等。雙口RAM可用于提高RAM的吞吐率，適用于實(shí)時(shí)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(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，兩個(gè)端口具有獨(dú)立的控制信號(hào)線(xiàn)、地址線(xiàn)和數(shù)據(jù)線(xiàn)，另外通過(guò)主／從選擇可以方便地?cái)U(kuò)存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)寬度。通過(guò)器件的信號(hào)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(jí)功耗管理技術(shù)，150 000個(gè)邏輯單元，集成式PCI ExprESS模塊，高級(jí)存儲(chǔ)器支持。250 MHz DSPslice和3．125 Gb／s低功耗收發(fā)器。通過(guò)Verilog HDL語(yǔ)言對(duì)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(xiě)操作控制。雙口RAM讀寫(xiě)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(jí)電路圖。

功能仿真的是Xilinx公司已經(jīng)建立自己的編譯庫(kù)的Modelsim XEⅢ6．2c軟件，仿真結(jié)果如圖2所示，滿(mǎn)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(mǎn)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(huì)造成數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。在一些實(shí)時(shí)控制場(chǎng)合，實(shí)時(shí)算法經(jīng)常需要由幾個(gè)DSP串行或并行工作以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度和實(shí)時(shí)性。以雙口RAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)接口可以在兩個(gè)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(xiàn)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(hào)處理領(lǐng)域(如無(wú)線(xiàn)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(hào)處理算法。用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理能很好地解決并行性和速度問(wèn)題，而且其靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)易于修改、測(cè)試及系統(tǒng)升級(jí)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期。任何一種自動(dòng)控制系統(tǒng)都離不開(kāi)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(shí)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)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(wèn)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(xiě)入雙口RAM。利用單片機(jī)控制雙口RAM的存取，構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以通過(guò)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(shí)鐘產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)，F(xiàn)PGA向采樣開(kāi)關(guān)發(fā)出選通信號(hào)，選定模擬開(kāi)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(chǔ)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(guò)程。經(jīng)過(guò)0．1 ms后，時(shí)鐘又產(chǎn)生一個(gè)脈沖啟動(dòng)信號(hào)。FPGA又重新從第O路模擬量選通。

在時(shí)鐘脈沖信號(hào)0．1 ms過(guò)程中，F(xiàn)PGA順序通過(guò)0～7路模擬開(kāi)關(guān)，在每次選通時(shí)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(hào)，而是等待0．1ms的時(shí)鐘脈沖信號(hào)到達(dá)再重新開(kāi)始工作。單片機(jī)用于與外部PC機(jī)通信，PC機(jī)查詢(xún)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(xiàn)，可對(duì)任何一個(gè)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(duì)CPU傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，CPU就會(huì)停止當(dāng)前工作而去處理外部請(qǐng)求，當(dāng)處理完外部事件后再回到原來(lái)被中止處，繼續(xù)原來(lái)的工作，這樣會(huì)影響CPU的速度。因此引入雙口RAM存儲(chǔ)FPGA傳送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后CPU再?gòu)碾p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(shí)性，可以靈活地通過(guò)多種方式控制數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文充分利用FPGA內(nèi)部豐富的硬件資源和Verilog HDL語(yǔ)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(guò)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(gè)系統(tǒng)分工明確，構(gòu)成合理，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。