基于FPGA高速實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案

．引言

信息時代的日新月異，催促著各種各樣的數(shù)據(jù)信息快馬加鞭，人們在要求信息傳輸?shù)迷絹碓娇斓耐瑫r，還要求信息要來得更加及時，于是高速實(shí)時的數(shù)據(jù)傳輸就成為了電子信息領(lǐng)域里一個永遠(yuǎn)不會過時的主題。但是，可以清楚地看到，當(dāng)今動輒成百上千兆的數(shù)據(jù)流一股腦的涌入，任何一個高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性等方方面面的問題都面臨著極大的挑戰(zhàn)，稍有考慮不周之處就會引起各種各樣的問題，因此如何能安全高效的對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時接收、存儲、處理和發(fā)送正是此次設(shè)計方案的目的。
2．設(shè)計方案的硬件選定

鑒于當(dāng)前高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案大多是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）加片外存儲介質(zhì)（ SDRAM、SRAM、DDR等）的組合，于是本次設(shè)計方案同樣采用這種組合方式，具體為一片 FPGA、三片靜態(tài)存儲器（ SRAM）和一片高速數(shù)據(jù)傳輸芯片。 FPGA具有管腳多、內(nèi)部邏輯資源豐富、足夠的可用 IP核等優(yōu)點(diǎn)，用作整個高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的控制模塊極為合適，此次方案中選用 Altera公司的高性價比 Cyclone[2]系列 FPGA；靜態(tài)存儲器具有昀大的優(yōu)點(diǎn)就是數(shù)據(jù)讀取速度快，且控制信號簡單易操作，昀適用于高速數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，方案選用 ISSI公司的 IS61LV51216型號的靜態(tài)存儲器 [3]，其處理速度和存儲容量滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要；TI公司的 TLK1501[4]是此次設(shè)計選用的高速數(shù)據(jù)傳輸芯片，其傳輸能力十分強(qiáng)大，不僅能滿足當(dāng)前設(shè)計的傳輸速度需要，還留有充分的帶寬余量，為以后的系統(tǒng)改進(jìn)提供了條件。上述三種芯片是此次高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所要用到的主要組成部件，其具體連接方式等問題不作討論。

3．具體設(shè)計方案
實(shí)現(xiàn)整個數(shù)據(jù)流從接收、存儲、轉(zhuǎn)換直到發(fā)送的過程由圖一可以看出，在接收端經(jīng)由 DVI[1]解碼芯片傳輸?shù)慕獯a數(shù)據(jù)包含 24bit并行像素數(shù)據(jù)和三個同步信號――像素時鐘 Pclk、數(shù)據(jù)使能信號 DE以及場同步信號 Vsy，fpga內(nèi)部的寫緩沖區(qū)控制器則會根據(jù)以上三個數(shù)據(jù)同步信號生成寫緩沖區(qū)的寫入地址，控制 24bit的像素數(shù)據(jù)信號存入寫緩沖區(qū)中，并會在一段時間后向內(nèi)存控制器發(fā)送讀請求（ wcache_rreq）以讀出寫緩沖區(qū)內(nèi)的已寫入數(shù)據(jù)，寫緩沖區(qū)是由 fpga自帶的 M4K塊配置生成的雙端口 RAM結(jié)構(gòu)[2]，采用乒乓操作，這樣整個內(nèi)存讀取和緩沖區(qū)寫入過程是各自獨(dú)立進(jìn)行的，保證所寫入數(shù)據(jù)的完整性，內(nèi)存控制器在接收寫緩沖區(qū)控制器發(fā)送的讀請求后，按照相應(yīng)的寫緩沖區(qū)地址讀取數(shù)據(jù)，并將其寫入片外靜態(tài)存儲器中，以上為像素數(shù)據(jù)的接收和存儲過程；在發(fā)送端，幀同步產(chǎn)生及高速數(shù)據(jù)傳輸控制器通過 fpga自帶的鎖相環(huán)產(chǎn)生數(shù)據(jù)時鐘 Dclk、幀同步 Fsy等信號，使讀緩沖區(qū)控制器產(chǎn)生對讀緩沖區(qū)的讀取地址，讀緩沖區(qū)控制器在產(chǎn)生讀地址的同時，還會在一段時間間隔后向內(nèi)存控制器發(fā)送寫請求（ rcache_wreq）以向被讀過的讀緩沖區(qū)部分寫入新數(shù)據(jù)，同樣讀緩沖區(qū)也是雙端口 RAM結(jié)構(gòu)，采用乒乓操作，保證被發(fā)送數(shù)據(jù)的連續(xù)完整，被讀出的 24bit數(shù)據(jù)經(jīng)過一個 24bit/16bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 16bit并行數(shù)據(jù)之后才能輸出給高速數(shù)據(jù)傳輸芯片，而內(nèi)存控制器在接收讀緩沖區(qū)控制器的寫請求后在片外靜態(tài)存儲器中讀出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寫入讀緩沖區(qū)中，這樣整個數(shù)據(jù)的接收、存儲、轉(zhuǎn)換到發(fā)送的過程得以實(shí)現(xiàn)。
3．1 寫緩沖區(qū)控制器的設(shè)計