基于FPGA的MPEG-2復(fù)用器中FIFO的一種設(shè)計(jì)方案

     目前，復(fù)用器的設(shè)計(jì)方案主要基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，這種設(shè)計(jì)方法在理論上也能實(shí)現(xiàn)對(duì)傳送流的復(fù)用，考慮到實(shí)現(xiàn)復(fù)用器諸多高速、復(fù)雜的邏輯功能，同時(shí)，FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)理論上可以無限次地重新配置，這樣在一定程度上為系統(tǒng)的升級(jí)或局部功能的改進(jìn)留下了余地。所以，從今后專用芯片的設(shè)計(jì)和開發(fā)的角度來講，基于FPGA的設(shè)計(jì)無疑是最佳的選擇。本文提出了一套基于FPGA的復(fù)用器輸入部分的設(shè)計(jì)方案。

      1 復(fù)用器組成

      整個(gè)傳送流的復(fù)用器分為復(fù)用預(yù)處理、輸入和復(fù)用3部分。預(yù)處理部分是對(duì)多路傳送流的PSI(節(jié)目特殊信息)提取并修改，重新生成新的PSI表的過程；輸入部分是給各路經(jīng)預(yù)處理的不同速率的傳送流提供緩存，并將半滿信號(hào)發(fā)送給后續(xù)的復(fù)用模塊；復(fù)用部分是將n路傳送流復(fù)合成一路傳送流的過程，控制對(duì)各路傳送流進(jìn)行選擇性發(fā)送，適時(shí)插入空包和其他業(yè)務(wù)信息。復(fù)用器的數(shù)據(jù)緩存包括輸入FIFO和輸出FIFO，它為n路傳送流提供緩存，便于復(fù)用器隨時(shí)提取某一路傳送包進(jìn)行處理。因此，復(fù)用器FIFO是否具有高速性和可靠性將直接影響復(fù)用器的性能。

      2 FIFO設(shè)計(jì)方案

      2.1 異步FIFO結(jié)構(gòu)

      首先，由于輸入通道和輸出通道的時(shí)鐘頻率不同，所以用來實(shí)現(xiàn)輸入接口的FIFO必須支持異步讀寫功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

      其次，考慮到輸入通道和輸出通道的時(shí)鐘頻率相差很大，為了避免數(shù)據(jù)溢出，F(xiàn)IFO的大小設(shè)計(jì)也需要考慮。FIFO的大小一方面與輸入傳送流的碼率和路數(shù)有關(guān)；另一方面，F(xiàn)PGA的處理能力也是影響緩沖器的一個(gè)因素。本設(shè)計(jì)中充分考慮了滿足產(chǎn)生半滿信號(hào)和節(jié)省系統(tǒng)資源的要求，F(xiàn)IFO的參考長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為一幀傳送流長(zhǎng)度的2倍，即為376 B。n路傳送流以不相關(guān)的碼流速度寫入FIFO中，由于時(shí)鐘之間周期和相位完全獨(dú)立，因而數(shù)據(jù)的丟失概率不為O，如何設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性、高速的異步FIFO電路便成為一個(gè)難點(diǎn)。

      由圖1可以看出，F(xiàn)IFO的存儲(chǔ)介質(zhì)為一塊雙端口RAM，可以同時(shí)進(jìn)行讀寫操作。在寫時(shí)鐘域部分，由寫地址產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生寫控制信號(hào)和寫地址；讀時(shí)鐘部分由讀地址產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生讀控制信號(hào)和讀地址。在空／滿／半滿標(biāo)志產(chǎn)生部分，當(dāng)FIFO里的數(shù)據(jù)超過188個(gè)字節(jié)時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)半滿信號(hào)，并將該信號(hào)送給復(fù)用控制模塊，由復(fù)用控制模塊產(chǎn)生一個(gè)讀使能，控制FIFO讀出數(shù)據(jù)。也就是說寫過程是連續(xù)的，而對(duì)于一個(gè)FIFO來說讀過程是間斷的。

      2.2 異步時(shí)鐘同步電路

      設(shè)計(jì)的過程中，首先要同步異步信號(hào)，使觸發(fā)器不產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。采取的方法是以讀時(shí)鐘為基準(zhǔn)時(shí)鐘控制讀寫數(shù)據(jù)，由讀時(shí)鐘觸發(fā)，將寫時(shí)鐘變?yōu)閷懯鼓軄砜刂艶IFO寫入數(shù)據(jù)。如圖2所示的觸發(fā)器電路可以同步異步時(shí)鐘。

      由圖2可以看出clk-r和clk-w分別是讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘，兩者異步且頻率相差很大。通過兩級(jí)D觸發(fā)器對(duì)這兩個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行同步，把寫時(shí)鐘clk-w轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)由讀時(shí)鐘clk-r上升沿觸發(fā)的寫使能w-en，由w-en控制寫入數(shù)據(jù)。

      2.3 信號(hào)控制電路

      同步了讀、寫時(shí)鐘后，下一個(gè)問題就是如何正確設(shè)計(jì)空／滿／半滿信號(hào)的控制電路。這些標(biāo)志的產(chǎn)生是FIFO的核心部分，如何正確設(shè)計(jì)此部分的邏輯，直接影響到FIFO的性能。MPEG-2／DVB的傳送流復(fù)用的特殊性，決定著空／滿／半滿標(biāo)志產(chǎn)生的原則。FIFO的標(biāo)志產(chǎn)生邏輯如圖3所示。

      系統(tǒng)定義了寫指針wp和讀指針rp，在FIFO寫入或者讀出數(shù)據(jù)時(shí)開始記數(shù)。通過比較wp與rp來產(chǎn)生標(biāo)志信號(hào)。具體實(shí)現(xiàn)方法是：定義一個(gè)計(jì)數(shù)器(count)對(duì)存人FIFO的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)，產(chǎn)生半滿信號(hào)hf-flag，當(dāng)FIFO寫入一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)器加"1"，當(dāng)從FIFO中讀取一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，計(jì)數(shù)器減"1"，當(dāng)計(jì)數(shù)器值大于187時(shí)，該FIFO輸出一個(gè)半滿信號(hào)。另外，附加了一個(gè)并行的區(qū)間判斷邏輯來控制同步字節(jié)的寫入。

      當(dāng)同步字節(jié)syn到來時(shí)，寫指針wp開始計(jì)數(shù)，F(xiàn)IFO開始寫入數(shù)據(jù)，這時(shí)需要同步判斷計(jì)數(shù)器的值，而這個(gè)值應(yīng)為0或187，從而給wp賦初值，這保證了FTFO中寫入的前4個(gè)字節(jié)即為傳送包的包頭。與此同時(shí)，半滿計(jì)數(shù)器也在計(jì)數(shù)，當(dāng)其值大于187時(shí)，半滿信號(hào)HF跳變?yōu)?，表明FIFO接收到讀使能r-en時(shí)，讀指針rp開始計(jì)數(shù)，系統(tǒng)開始從FIFO中依次讀取數(shù)據(jù)，讀取完1幀(188 B)數(shù)據(jù)后，讀使能關(guān)閉，系統(tǒng)不再讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)hf-flag也變?yōu)?，F(xiàn)IFO的狀態(tài)又回到了初始狀態(tài)。

      2.4 緩存功能模塊

      圖4給出了FIFO的引腳定義：syn為傳送流同步字節(jié)；rst為復(fù)位信號(hào)；clk-r為讀時(shí)鐘；r-en為讀使能信號(hào)，當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行讀操作時(shí)，該信號(hào)為"1"，clk-w為寫時(shí)鐘；datain為并行8位數(shù)據(jù)輸人；hf-flag為半滿信號(hào)，當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)大于187時(shí)，該引腳輸出一個(gè)高電平；emp-flag為空標(biāo)志；full-flag為滿標(biāo)志；dataout為并行8位數(shù)據(jù)輸出。

      3 結(jié)束語

      本文基于FPGA的復(fù)用器輸入部分設(shè)計(jì)方案，程序調(diào)試簡(jiǎn)單，通過實(shí)踐驗(yàn)證，運(yùn)行效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，具有較高的實(shí)用價(jià)值。