基于FPGA技術(shù)的存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

　　不同的存儲(chǔ)器根據(jù)各自特點(diǎn)，應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。ROM存儲(chǔ)器主要用來存儲(chǔ)“常量”，如系統(tǒng)參數(shù)、波形發(fā)生器的信源等。先進(jìn)先出FIFO存儲(chǔ)器可用于信號(hào)的實(shí)時(shí)不間斷采集，存儲(chǔ)、緩沖兩個(gè)異步時(shí)鐘之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

　　ROM、FIFO等存儲(chǔ)器的調(diào)用庫(kù)函數(shù)構(gòu)造方法與雙端口RAM的構(gòu)造方法類似，在mega-lpm庫(kù)中調(diào)用相應(yīng)的模塊單元即可。其中ROM存儲(chǔ)器在庫(kù)中是LPM_ROM模塊，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器在庫(kù)中有CSFIFO、DCFIFO、LPM_FIFO、LPM__FIFO_DC、SCFIFO、SFIFO共六種。需要說明的是由于ROM在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的不可寫入性，在ROM構(gòu)造過程中要對(duì)ROM存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化。這一操作是通過設(shè)置PLM_FILE項(xiàng)完成的。在引腳／參數(shù)設(shè)置窗口的Parameters參數(shù)設(shè)置處選擇該項(xiàng)，再通過ParameterValue項(xiàng)確定相應(yīng)的數(shù)據(jù)初始化文件（*.mif）即可。下面是VHDL格式的ROM數(shù)據(jù)初始化文件（文件可用任何文本編輯器實(shí)現(xiàn)）：

　　雙端口RAM在高速數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

　　利用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于集成度低、電路復(fù)雜，高速運(yùn)行電路干擾大，電路可靠性低，難以滿足高速數(shù)據(jù)采集工作的要求。應(yīng)用FPGA可以把數(shù)據(jù)采集電路中的數(shù)據(jù)緩存、控制時(shí)序邏輯、地址譯碼、總線接口等電路全部集成進(jìn)一片芯片中，高集成性增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為高速數(shù)據(jù)采集提供了理想的解決方案。下面以一個(gè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為例介紹雙端口RAM的應(yīng)用。

　　該系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率為5MHz的信號(hào)進(jìn)行采樣，系統(tǒng)的計(jì)算處理需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行波形分析，信號(hào)采樣時(shí)間為25μs。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為保證采樣波形不失真，A／D采樣頻率用80MHz，采樣精度為8位數(shù)據(jù)寬度。計(jì)算得出存儲(chǔ)容量需要2K字節(jié)。

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，雙端口RAM的LPM_WIDTH參數(shù)設(shè)置為8，LPM_WIDTHAD參數(shù)設(shè)置為11（211=2048），使用讀寫使能端及讀寫時(shí)鐘。ADCLK、WRCLK和地址發(fā)生器的計(jì)數(shù)頻率為80MHz。

　　A／D轉(zhuǎn)換值對(duì)雙端口RAM的寫時(shí)序?yàn)轫樞驅(qū)懛绞?，每完成一次A／D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)，地址加1指向下一單元，因此寫地址發(fā)生器（RAM_CONTROL）采用遞增計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，計(jì)數(shù)頻率與ADCLK、WRCLK一致以保證數(shù)據(jù)寫入時(shí)序的正確性。寫操作時(shí)序由地址和時(shí)鐘發(fā)生器、A／D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘和雙端口RAM的寫時(shí)鐘產(chǎn)生。停止采樣時(shí)AD_STOP有效，寫地址發(fā)生器停止計(jì)數(shù)，同時(shí)停止對(duì)RAM的寫操作。將地址發(fā)生器的計(jì)數(shù)值接至DSP總線可以獲取采樣的首尾指針。地址發(fā)生器單元一般用（VHDL）語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，然后生成符號(hào)文件RAM_CONTROL在上層文件調(diào)用。其部分VHDL語(yǔ)言程序如下：

　　對(duì)雙端口RAM的讀操作采用存儲(chǔ)器映像方式，其讀出端口接DSP的外擴(kuò)RAM總線，DSP可隨機(jī)讀取雙端口RAM的任一單元數(shù)據(jù)，以方便波形分析。 由于LPM_RAM_DP模塊的讀端數(shù)據(jù)總線q不具有三態(tài)特性，因此調(diào)用三態(tài)緩沖器74244，通過其將輸出數(shù)據(jù)連接到DSP數(shù)據(jù)總線上。

　　在高速數(shù)據(jù)采集電路中，數(shù)據(jù)緩存也可以用FIFO或單端口RAM實(shí)現(xiàn)。用FIFO進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，由于其已經(jīng)把地址發(fā)生部分集成在模塊單元內(nèi)，因此省去了一部分程序編寫，但是DSP卻不能任意地訪問FIFO的存儲(chǔ)單元，只能是順序?qū)懭耄x出數(shù)據(jù)，這樣設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的靈活性就大大降低。如果DSP的分析計(jì)算需要特定單元的數(shù)據(jù)，則系統(tǒng)的效率和速度會(huì)因?yàn)闊o效數(shù)據(jù)的讀取而降低。使用單端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存同樣存在一些問題。由RAM側(cè)看，DSP和A／D轉(zhuǎn)換器是掛在一條總線上的，當(dāng)從RAM向DSP傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候，A／D轉(zhuǎn)換器就不能有數(shù)據(jù)傳到該總線上，否則會(huì)產(chǎn)生總線沖突，引起芯片損壞。解決這個(gè)問題就需要增加電路。應(yīng)用雙端口RAM就不存在這個(gè)問題，而且使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分更明確，符合模塊化設(shè)計(jì)思想。

　　結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述，利用FPGA芯片的高速工作特性，以及其內(nèi)部集成嵌入式陣列和大規(guī)模邏輯陣列的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器，三態(tài)緩存器、地址發(fā)生器、以及復(fù)雜的時(shí)序邏輯電路等，應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集電路中可以使電路大大簡(jiǎn)化，性能提高。同時(shí)由于FPGA可實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP），使系統(tǒng)具有可在線更新、升級(jí)容易等特點(diǎn)，是一種較為理想的系統(tǒng)及電路實(shí)現(xiàn)方法。