用LabVIEW FPGA模塊實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸

2 不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸
本文中的中頻信號(hào)生成系統(tǒng)是將主控計(jì)算機(jī)模擬生成的數(shù)據(jù)通過FPGA送到AD9857發(fā)送出去。數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的速率為52 MB／s，由于計(jì)算機(jī)的非實(shí)時(shí)性呈現(xiàn)斷續(xù)的形式，其實(shí)際的速率要低一些；數(shù)據(jù)傳出FPGA時(shí)，其數(shù)據(jù)位寬為16 b，輸出頻率為10 MHz，固其持續(xù)傳輸速率為20 MB／s。數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的速率高于出FPGA的速率，這就造成數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域之間傳輸的問題。為了避免數(shù)據(jù)的溢出和保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，本文使用DMA FIFO作為主控計(jì)算機(jī)與FPGA之間的緩存。它的存儲(chǔ)空間包括兩部分：一是主控計(jì)算機(jī)部分，主控計(jì)算機(jī)開辟一塊內(nèi)存作為FIFO緩存；二是FPGA部分，F(xiàn)IFO占用部分Block Memory資源作為緩存。二者共同組成一個(gè)完整的FIFO，通過PXIe總線傳遞數(shù)據(jù)。FIFO的傳輸機(jī)制是：主控計(jì)算機(jī)首先把一個(gè)數(shù)組的數(shù)據(jù)存入作為FIFO緩存的內(nèi)存中；DMA控制器會(huì)自動(dòng)查詢FPGA上的FIFO剩余空間，當(dāng)滿足緩存剩余空間大于數(shù)據(jù)塊容量的條件時(shí)，控制器通過PXIe總線把整個(gè)數(shù)據(jù)塊一并送入FPGA上的FIFO中；FPGA FIFO再將數(shù)據(jù)順序送出。
若在主控計(jì)算機(jī)向FIFO兩次寫入數(shù)據(jù)的間隔期間，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)保持不被讀空，就能保證輸出FPGA的數(shù)據(jù)是連續(xù)的。而合適的FIFO深度是FIFO不被讀空的基礎(chǔ)，所以確定FIFO深度的設(shè)定方法是數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域之間實(shí)現(xiàn)連續(xù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。

3 FIFO深度的設(shè)定方法
3．1 FPGA FIFO深度的設(shè)定
DMA控制器將數(shù)據(jù)從主控計(jì)算機(jī)內(nèi)存整塊的傳送到FPGA的FIFO緩存中，所以FIFO的深度要大于數(shù)據(jù)塊的大小。LabVIEW FPGA里塊存儲(chǔ)FIFO是以2 KB大小來應(yīng)用的。DMA FIFO使用RIO設(shè)備可獲取的內(nèi)置RAM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，該存儲(chǔ)空間與內(nèi)存讀／寫是共享的。所以要留一部分RAM空間進(jìn)行內(nèi)存的讀／寫，F(xiàn)IFO的最大值為RAM容量減去16 KB。PXIe-5641R的RAM的容量是1 098 KB，所以，F(xiàn)PGAFIFO的深度設(shè)定范圍為2～1 082 KB。
另一方面，實(shí)際上LabVIEW為了能使FPGA高效運(yùn)行，對(duì)Block Memory方式FIFO的大小作了規(guī)定，其大小只能為2M-1(數(shù)據(jù)由FPGA傳向主控計(jì)算機(jī))或2M+5(數(shù)據(jù)由主控計(jì)算機(jī)傳向FPGA)，M為數(shù)據(jù)的地址寬度；當(dāng)設(shè)定值不是這些標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，LabVIEW會(huì)自動(dòng)的放大到距其最近的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值。這樣就確定了FPGAFIFO的深度，但是還不能保證數(shù)據(jù)能夠連續(xù)輸出。
3．2 主控計(jì)算機(jī)FIFO深度的設(shè)定
由于對(duì)主控計(jì)算機(jī)內(nèi)存部分FIFO的讀／寫是以數(shù)組形式斷續(xù)進(jìn)行的。所以，數(shù)組的長(zhǎng)度和兩次寫入的間隔時(shí)間是能否保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的重要參數(shù)，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)輸出FPGA是連續(xù)且頻率固定的。根據(jù)FIFO不讀空的原則推測(cè)：當(dāng)寫入內(nèi)存的數(shù)組的長(zhǎng)度N與數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存的時(shí)間T和數(shù)據(jù)輸出FPGA的頻率F之間滿足如下的關(guān)系時(shí)，就能做到數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸：
N／T>F (1)
鑒于主控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性，需要將主控計(jì)算機(jī)FIFO深度D的大小設(shè)定為N的若干倍；通過大量實(shí)驗(yàn)并與NI工程師討論，確定當(dāng)FIFO的深度D的大小為N的3～5倍時(shí)，可完全滿足數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)囊蟆?br />3．3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存的時(shí)間與主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度以及數(shù)組的大小有關(guān)。表1所示的是數(shù)組長(zhǎng)度和寫入內(nèi)存的時(shí)間與輸出數(shù)據(jù)連續(xù)性之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，平均寫入內(nèi)存時(shí)間指的是同一個(gè)數(shù)組循環(huán)執(zhí)行寫入操作10萬次得到的平均結(jié)果。輸出FPGA的速率為10 MHz。

當(dāng)數(shù)組長(zhǎng)度較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)寫入到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)較少，內(nèi)存里的數(shù)據(jù)不能滿足FPGA FIFO讀取數(shù)據(jù)的需求，在下一組數(shù)據(jù)到達(dá)之前內(nèi)存里的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀空，故輸出的數(shù)據(jù)不能連續(xù)。當(dāng)數(shù)組長(zhǎng)度增大之后，單位時(shí)間寫入到內(nèi)存的數(shù)據(jù)量也隨之增大，內(nèi)存里的數(shù)據(jù)能夠滿足FP-GA FIFO讀取數(shù)據(jù)的需求，在內(nèi)存讀空之前把下一組數(shù)據(jù)送入了內(nèi)存，所以輸出的數(shù)據(jù)能夠保持連續(xù)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述推測(cè)公式的正確性。