基于FPGA的跨時(shí)鐘域信號(hào)處理——借助存儲(chǔ)器

　　為了達(dá)到可靠的數(shù)據(jù)傳輸，借助存儲(chǔ)器來完成跨時(shí)鐘域通信也是很常用的手段。在早期的跨時(shí)鐘域設(shè)計(jì)中，在兩個(gè)處理器間添加一個(gè)雙口RAM或者FIFO來完成相互間的數(shù)據(jù)交換是很常見的做法。如今的FPGA大都集成了一些用戶可靈活配置的存儲(chǔ)塊，因此，使用開發(fā)商提供的免費(fèi)IP核可以很方便的嵌入一些常用的存儲(chǔ)器來完成跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)。使用內(nèi)嵌存儲(chǔ)器和使用外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器的基本原理是一樣的，如圖1所示。

　　圖1 借助存儲(chǔ)器的跨時(shí)鐘域傳輸

　　雙口RAM更適合于需要互通信的設(shè)計(jì)，只要雙方對(duì)地址做好適當(dāng)?shù)姆峙洌敲词Ｏ碌墓ぷ髦皇强刂坪么鎯?chǔ)器的讀寫時(shí)序。FIFO本身的特性(先進(jìn)先出)決定了它更適合于單向的數(shù)據(jù)傳輸?？傊?，借助存儲(chǔ)器進(jìn)行跨時(shí)鐘域傳輸?shù)淖畲蠛锰幵谟冢O(shè)計(jì)者不需要再花時(shí)間和精力考慮如何處理同步問題，因?yàn)檫@些工作都交給了存儲(chǔ)器，我們也不用關(guān)心存儲(chǔ)器內(nèi)部到底使用了怎樣的工作機(jī)制來解決沖突問題(當(dāng)然了，存儲(chǔ)芯片內(nèi)部肯定是有一套完善的同步處理機(jī)制)。我們可以把更多的時(shí)間花在數(shù)據(jù)流以及存儲(chǔ)器接口的控制上。借助存儲(chǔ)器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)，它可以大大提高通信雙方的數(shù)據(jù)吞吐率，它不像握手信號(hào)和邏輯同步處理機(jī)制那樣在同步設(shè)計(jì)上耗費(fèi)太多的時(shí)鐘周期，它的速度瓶頸基本就是存儲(chǔ)器本身的速度上限。不過，在得到便利的同時(shí)，我們也不得不以付出更多的Money作為代價(jià)。

　　下文將重點(diǎn)探討異步FIFO在跨時(shí)鐘域通信中的使用。常見的異步FIFO接口如圖2所示，F(xiàn)IFO兩側(cè)會(huì)有相對(duì)獨(dú)立的兩套控制總線。若寫入請(qǐng)求wrreq在寫入時(shí)鐘wrclk的上升沿處于有效狀態(tài)，那么FIFO將在該時(shí)鐘沿將鎖存寫入數(shù)據(jù)總線wrdata。同理，若讀請(qǐng)求rdreq在讀時(shí)鐘rdclk的上升沿處于有效狀態(tài)，那么FIFO將把數(shù)據(jù)放置到讀數(shù)據(jù)總線rddata上，外部邏輯一般在下一個(gè)有效時(shí)鐘沿讀取該數(shù)據(jù)。

　　FIFO一般還會(huì)有指示內(nèi)部狀態(tài)的一些接口信號(hào)，如圖2中的空標(biāo)志位empty、滿標(biāo)志位full，甚至還會(huì)有用多位數(shù)據(jù)線表示的FIFO當(dāng)前數(shù)據(jù)量，這些狀態(tài)標(biāo)志保證了讀寫控制不出現(xiàn)空讀和滿寫的情況。清除信號(hào)aclr在某些應(yīng)用中也是需要的，它在有效時(shí)能夠清除當(dāng)前FIFO的數(shù)據(jù)，讓FIFO復(fù)位到一個(gè)空的狀態(tài)。

　　圖2 常見異步FIFO接口

　　如圖3所示，在特權(quán)同學(xué)設(shè)計(jì)過的一個(gè)SDRAM控制器中，就使用了兩個(gè)FIFO。由于SDRAM需要定時(shí)預(yù)刷新，并且每次讀寫時(shí)起始控制的時(shí)間開銷相對(duì)大一些，因此采用頁讀寫的方式可以大大的提高數(shù)據(jù)吞吐量，而頁讀寫方式需要對(duì)數(shù)據(jù)做一些緩存處理。另外，該SDRAM控制器所在的工程中涉及了多個(gè)時(shí)鐘域。在寫入SDRAM端是一個(gè)25MHz的時(shí)鐘，在讀SDRAM端是一個(gè)50MHz的時(shí)鐘，而SDRAM的控制則使用了100MHz的時(shí)鐘。盡管實(shí)際工程里這三個(gè)時(shí)鐘的相位關(guān)系固定，但是不做好多周期約束也很容易引起問題。

　　最終，選擇在SDRAM控制器的寫入端和讀出端各使用一個(gè)異步FIFO，這既解決了數(shù)據(jù)緩存的問題，也能有效的完成跨時(shí)鐘域的信號(hào)傳輸。

　　圖3 用兩個(gè)FIFO設(shè)計(jì)的SDRAM控制器

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