利用FPGA實現(xiàn)雙口RAM的設計及應用

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)中的應用。采用FPGA技術構造雙口RAM，實現(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。功能仿真驗證該設計的正確性，該設計能減小電路設計的復雜性，增強設計的靈活性和資源的可配置性能．降低設計成本，縮短開發(fā)周期。

　　隨著電子技術的飛速發(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(雙單片機系統(tǒng))方式得到廣泛應用。為了使2個單片機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、實驗風險小等優(yōu)點，在復雜數(shù)字系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。數(shù)字電路設計采用l片F(xiàn)PGA器件、存儲設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易于進行修改、測試及系統(tǒng)升級，可降低設計成本，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立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統(tǒng)同時對其進行隨機性訪問的存儲器，即共享式多端口存儲器。雙口RAM最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。1個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因為數(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，可以同時進行數(shù)據(jù)存取，兩個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，另外通過主／從選擇可以方便地擴存儲容量和數(shù)據(jù)寬度。通過器件的信號量標志器，左、右兩端口可以實現(xiàn)器件資源共享。

　　2 雙口RAM在FPGA中的實現(xiàn)

　　本設計采用自頂而下的設計思想。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，提供高級功耗管理技術，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)實現(xiàn)8位16字節(jié)的雙口RAM，并進行讀寫操作控制。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，滿足設計要求。

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

　　3 基于FPGA的雙口RAM應用

　　雙口RAM在數(shù)字系統(tǒng)中應用廣泛。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。在一些實時控制場合，實時算法經(jīng)常需要由幾個DSP串行或并行工作以提高系統(tǒng)的運行速度和實時性。以雙口RAM構成的數(shù)據(jù)接口可以在兩個處理器之間進行高速可靠的信息傳輸。此外，雙口RAM可以應用在智能總線適配卡、網(wǎng)絡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域(如無線通信、多媒體系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、雷達系統(tǒng)等)，F(xiàn)PGA技術已代替DSP實現(xiàn)許多前端的數(shù)字信號處理算法。用FPGA來實現(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，降低設計成本，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。

　　設計l塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板，用FPGA實現(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。利用單片機控制雙口RAM的存取，構成一個獨立的數(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。圖3為其系統(tǒng)結(jié)構框圖。

　　首先，時鐘產(chǎn)生啟動信號，F(xiàn)PGA向采樣開關發(fā)出選通信號，選定模擬開關采樣，第0路模擬量進入，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路模擬量進入，重復上述過程。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，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A／D反饋信號，而是等待0．1ms的時鐘脈沖信號到達再重新開始工作。單片機用于與外部PC機通信，PC機查詢是否在雙端口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組獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可對任何一個端口進行獨立的操作。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就會停止當前工作而去處理外部請求，當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、單片機等實現(xiàn)數(shù)據(jù)運行處理和控制功能，使系統(tǒng)的通信和處理能力大大加強，保證了系統(tǒng)的實時性，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)實現(xiàn)了雙口RAM的基本功能，并通過設計一塊數(shù)據(jù)采集板介紹基于FPGA技術的雙口RAM的應用，該系統(tǒng)減小了設計電路的復雜性，增強了設計的靈活性和資源的可配置性。整個系統(tǒng)分工明確，構成合理，具有一定的應用價值。