激光告警系統(tǒng)的異步FIFO設(shè)計

快速在片激光告警接收系統(tǒng)中，A/D信號采樣頻率與FPGA中數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的工作頻率往往不一致，因此在這種情況下，為避免數(shù)據(jù)丟失，需要設(shè)計一種數(shù)據(jù)緩存。本文采用Verilog HDL語言設(shè)計了一種異步FIFO(時鐘周期和相位相互獨(dú)立)，它不僅提供數(shù)據(jù)緩沖，而且能夠?qū)崿F(xiàn)不同時鐘域間的轉(zhuǎn)換等功能。

1 激光告警接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和處理

對于高速在片激光告警接收系統(tǒng)，具有較高的采樣速率、低功耗、體積小以及相應(yīng)的高抗干擾性能是提高其成功獲取敵方激光武器有效數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，而采用線性CMOS芯片和提高系統(tǒng)的集成度是實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗的最經(jīng)濟(jì)、最有效的途經(jīng)。本系統(tǒng)采用Xilinx公司Spartan-Ⅲ系列芯片XC3S1500，設(shè)計完成異步FIFO緩存，包括采集控制電路、FFT數(shù)據(jù)處理、時鐘控制信號、接口電路等。激光告警接收系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣和處理框圖如圖1所示。


2 異步FIFO設(shè)計

異步FIFO由讀、寫地址邏輯，存儲單元和空滿標(biāo)志邏輯四部分組成，如圖2所示。由圖2可以看出，整個系統(tǒng)分為兩個獨(dú)立的時鐘域(讀時鐘域和寫時鐘域)，F(xiàn)IFO的存儲介質(zhì)為一塊雙口RAM，可以同時進(jìn)行讀寫操作。在寫時鐘域部分，由寫地址邏輯生成寫控制信號和寫地址；在讀時鐘域部分，由讀地址邏輯生成讀控制信號和讀地址?？諠M標(biāo)志信號，由寫指針和讀指針通過異步比較器相互比較生成。對于異步FIFO設(shè)計主要有以下兩個難點(diǎn)：一是如何同步異步信號，避免觸發(fā)器亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生；二是如何根據(jù)FIFO的指針信號正確地判斷FIFO的空滿狀態(tài)[1]。

2.1 亞穩(wěn)態(tài)問題的解決

在數(shù)字電路中，觸發(fā)器需要滿足setup/hold時間要求。當(dāng)一個信號被寄存器鎖存時，如果信號和時鐘之間不能滿足這個要求，data2端的值就是不確定的，這個過程稱為亞穩(wěn)態(tài)。如圖3所示為常用異步時鐘和亞穩(wěn)態(tài)[2]。

在異步FIFO中，由于時鐘之間周期和相位完全獨(dú)立，因此數(shù)據(jù)的丟失概率不為零。盡管亞穩(wěn)態(tài)無法徹底消除，但是可以通過下面方法將其降低到一個可以接受的范圍之內(nèi)。

(1)對讀地址/寫地址采用Gray碼設(shè)計。這是因?yàn)椴捎枚M(jìn)制計數(shù)時所有位都可能變化，不利于跨時鐘域的同步。例如，3位二進(jìn)制數(shù)從3變到4(即011~100)時，所有位都發(fā)生了變化，而Gray碼的特點(diǎn)是每次只有一個數(shù)據(jù)位變化。由于同步多個異步輸入信號出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步一個異步信號的概率，因此，寫地址指針和讀地址指針均采用Gray碼計數(shù)器，可以保證一個時鐘域的指針盡可能安全地被轉(zhuǎn)換到另一個時鐘域，有效避免了亞穩(wěn)態(tài)。

(2)采用觸發(fā)器來同步異步輸入信號，如圖4中的兩級觸發(fā)器，可以將出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)幾率降低到一個很小的程度。

不過，使用這種方法會增加一級延時。為了充分利用FPGA器件資源，提高系統(tǒng)運(yùn)行速度，同時有效地避免亞穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用，本設(shè)計采用Gray碼設(shè)計讀寫地址。

2.2 空滿狀態(tài)的判斷

在異步FIFO設(shè)計中，正確地產(chǎn)生“空”/“滿”標(biāo)志是最困難的部分，主要有兩個問題：(1)異步時鐘域問題，由上分析可知，可采用Gray碼計數(shù)器解決；(2)因?yàn)镕IFO“空”/“滿”都表明讀/寫指針相等，因此必須準(zhǔn)確區(qū)分是讀“空”還是寫“滿”。“空”、“滿”狀態(tài)的產(chǎn)生需要兩個條件：①對方向的判定：即判定具體是寫地址指針將要接近讀地址指針，還是讀地址指針將要接近寫地址指針；②讀寫地址是否相等[4]。

解決辦法：將FIFO地址空間按最高兩位劃分成4個象限，每當(dāng)讀/寫地址相等時，通過對最高兩位譯碼以產(chǎn)生正確的“空”/“滿”標(biāo)志。

若寫指針比讀指針滯后一個象限，則FIFO為“接近滿”狀態(tài)，此時置標(biāo)志“direction”為1，并且鎖存其值，相應(yīng)等式為：

wire disrest_n=～((wptr[n]^rptr[n-1]))～((wptr[n-1])^rptr[n] ))

若寫指針比讀指針超前一個象限，則FIFO為“接近空”狀態(tài)，此時置標(biāo)志“direction”為0，并且鎖定其值，相應(yīng)等式為：

wire dirclr_n=～((～(wptr[n]^rptr[n-1])(wptr[n-1]^rptr[n]))∣～wrst_n

3 模塊設(shè)計的Verilog實(shí)現(xiàn)[3-4]

3.1 存儲模塊RAM

為增加設(shè)計的可移植性，本設(shè)計的存儲單元沒有采用ISE8.1軟件中的IP核，而是通過Verilog HDL語句設(shè)計一個二維數(shù)組，通過修改參數(shù)可得到相應(yīng)數(shù)據(jù)寬度的輸入/輸出存儲空間。主要語句如下：

module dp_ram(rdata，wdata，waddr，raddr，wclken，wclk)；
parameter DATA_WIDTH=12；
parameter ADDR_WIDTH=10；
parameter DEPTH=1ADDR_WIDTH；
always @(posedge wclk)
if (wclken) MEM[waddr]=wdata；
assign rdata=MEM[raddr]；
endmodule

3.2 讀/寫、空/滿標(biāo)志邏輯模塊

讀寫地址設(shè)計中引用了Gray碼，因Gray碼是一種在相鄰計數(shù)之間只有一位發(fā)生變化的編碼方式，用Gray碼做地址計數(shù)可以消除在電路中的模糊現(xiàn)象，避免亞穩(wěn)態(tài)。Gray碼可以借助二進(jìn)制計數(shù)器實(shí)現(xiàn)。

3.3 異步比較器

異步比較器用于判斷比較讀指針、寫指針的大小，輸出控制信號，判斷存儲器中數(shù)據(jù)是“接近滿”還是“接近空”。其主要程序語句如下：

module async_cmp(aempty_n，afull_n，wptr，rptr，wrst_n)；
always @(posedge high or negedge dirset_n or negedge dirclr_n)
if (!dirclr_n) direction = 1'b0；
else if (!dirset_n) direction = 1'b1；
else direction = high；
endmodule

3.4 異步FIFO模塊及RTL級硬件電路[5]

利用Verilog硬件設(shè)計描述語言，在Xilinx公司ISE 8.1軟件開發(fā)環(huán)境中編譯后得出如圖5所示的異步FIFO模塊。

采用綜合工具Synplify Pro軟件對該設(shè)計進(jìn)行綜合，得出RTL級硬件電路結(jié)果圖如圖6所示。

3.5 芯片資源利用

表1列出了設(shè)計高速在片激光告警接收系統(tǒng)的異步FIFO占用FPGA(XC3S1500)芯片內(nèi)部資源的情況。由表1可知，F(xiàn)IFO模塊完成后，還有大量的資源可以利用，因此剩余資源可用于實(shí)現(xiàn)FFT數(shù)據(jù)處理、采集控制、顯示等功能，從而在一塊芯片上完成多種功能，可有效減少激光告警接收機(jī)的體積，朝小型化發(fā)展。


4 系統(tǒng)波形仿真

讀寫時鐘異步使得FIFO存儲器的輸入和輸出數(shù)據(jù)速率不相等，在讀操作時鐘頻率高于寫操作時鐘頻率時，可能出現(xiàn)“讀空”狀態(tài)；當(dāng)寫操作時鐘頻率高于讀操作時鐘頻率時，可能出現(xiàn)“寫滿”狀態(tài)。在高速在片激光告警接收系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)讀取時鐘比寫時鐘要高，本文選取第一種情況進(jìn)行仿真。無論是“讀空”還是“寫空”，對于異步FIFO來說，讀取的數(shù)據(jù)一定等于寫入的數(shù)據(jù)。利用Modelsim SE 6.0仿真軟件進(jìn)行仿真，其波形如圖7所示。結(jié)果表明，該設(shè)計是正確的。

本文提出的FIFO設(shè)計方法解決了不同時鐘域間的數(shù)據(jù)緩沖和時鐘轉(zhuǎn)換功能問題，避免了數(shù)據(jù)的丟失；通過運(yùn)用Gray碼計數(shù)器一次只變換一位的特點(diǎn)，有效地同步了異步信號，避免了亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生；與二進(jìn)制計數(shù)器相比，還能減少線路切換，進(jìn)而減少功率的消耗[3]；采用Verilog HDL語言描述設(shè)計，可移植性好、生成的硬件電路面積小、速度快、系統(tǒng)可靠性高。目前，該FIFO設(shè)計已經(jīng)在所研制的激光告警接收系統(tǒng)中得到應(yīng)用。