基于FPGA的MPEG-2復用器中FIFO的一種設計方案

     目前，復用器的設計方案主要基于DSP(數字信號處理器)的實現技術，這種設計方法在理論上也能實現對傳送流的復用，考慮到實現復用器諸多高速、復雜的邏輯功能，同時，FPGA(現場可編程門陣列)理論上可以無限次地重新配置，這樣在一定程度上為系統(tǒng)的升級或局部功能的改進留下了余地。所以，從今后專用芯片的設計和開發(fā)的角度來講，基于FPGA的設計無疑是最佳的選擇。本文提出了一套基于FPGA的復用器輸入部分的設計方案。

      1 復用器組成

      整個傳送流的復用器分為復用預處理、輸入和復用3部分。預處理部分是對多路傳送流的PSI(節(jié)目特殊信息)提取并修改，重新生成新的PSI表的過程；輸入部分是給各路經預處理的不同速率的傳送流提供緩存，并將半滿信號發(fā)送給后續(xù)的復用模塊；復用部分是將n路傳送流復合成一路傳送流的過程，控制對各路傳送流進行選擇性發(fā)送，適時插入空包和其他業(yè)務信息。復用器的數據緩存包括輸入FIFO和輸出FIFO，它為n路傳送流提供緩存，便于復用器隨時提取某一路傳送包進行處理。因此，復用器FIFO是否具有高速性和可靠性將直接影響復用器的性能。

      2 FIFO設計方案

      2.1 異步FIFO結構

      首先，由于輸入通道和輸出通道的時鐘頻率不同，所以用來實現輸入接口的FIFO必須支持異步讀寫功能，其結構如圖1所示。

      其次，考慮到輸入通道和輸出通道的時鐘頻率相差很大，為了避免數據溢出，FIFO的大小設計也需要考慮。FIFO的大小一方面與輸入傳送流的碼率和路數有關；另一方面，FPGA的處理能力也是影響緩沖器的一個因素。本設計中充分考慮了滿足產生半滿信號和節(jié)省系統(tǒng)資源的要求，FIFO的參考長度設計為一幀傳送流長度的2倍，即為376 B。n路傳送流以不相關的碼流速度寫入FIFO中，由于時鐘之間周期和相位完全獨立，因而數據的丟失概率不為O，如何設計一個高可靠性、高速的異步FIFO電路便成為一個難點。

      由圖1可以看出，FIFO的存儲介質為一塊雙端口RAM，可以同時進行讀寫操作。在寫時鐘域部分，由寫地址產生邏輯產生寫控制信號和寫地址；讀時鐘部分由讀地址產生邏輯產生讀控制信號和讀地址。在空／滿／半滿標志產生部分，當FIFO里的數據超過188個字節(jié)時，產生一個半滿信號，并將該信號送給復用控制模塊，由復用控制模塊產生一個讀使能，控制FIFO讀出數據。也就是說寫過程是連續(xù)的，而對于一個FIFO來說讀過程是間斷的。

      2.2 異步時鐘同步電路

      設計的過程中，首先要同步異步信號，使觸發(fā)器不產生亞穩(wěn)態(tài)。采取的方法是以讀時鐘為基準時鐘控制讀寫數據，由讀時鐘觸發(fā)，將寫時鐘變?yōu)閷懯鼓軄砜刂艶IFO寫入數據。如圖2所示的觸發(fā)器電路可以同步異步時鐘。

      由圖2可以看出clk-r和clk-w分別是讀時鐘和寫時鐘，兩者異步且頻率相差很大。通過兩級D觸發(fā)器對這兩個時鐘進行同步，把寫時鐘clk-w轉變?yōu)橐粋€由讀時鐘clk-r上升沿觸發(fā)的寫使能w-en，由w-en控制寫入數據。

      2.3 信號控制電路

      同步了讀、寫時鐘后，下一個問題就是如何正確設計空／滿／半滿信號的控制電路。這些標志的產生是FIFO的核心部分，如何正確設計此部分的邏輯，直接影響到FIFO的性能。MPEG-2／DVB的傳送流復用的特殊性，決定著空／滿／半滿標志產生的原則。FIFO的標志產生邏輯如圖3所示。

      系統(tǒng)定義了寫指針wp和讀指針rp，在FIFO寫入或者讀出數據時開始記數。通過比較wp與rp來產生標志信號。具體實現方法是：定義一個計數器(count)對存人FIFO的數據字節(jié)數計數，產生半滿信號hf-flag，當FIFO寫入一個數據時，計數器加"1"，當從FIFO中讀取一個數據時，計數器減"1"，當計數器值大于187時，該FIFO輸出一個半滿信號。另外，附加了一個并行的區(qū)間判斷邏輯來控制同步字節(jié)的寫入。

      當同步字節(jié)syn到來時，寫指針wp開始計數，FIFO開始寫入數據，這時需要同步判斷計數器的值，而這個值應為0或187，從而給wp賦初值，這保證了FTFO中寫入的前4個字節(jié)即為傳送包的包頭。與此同時，半滿計數器也在計數，當其值大于187時，半滿信號HF跳變?yōu)?，表明FIFO接收到讀使能r-en時，讀指針rp開始計數，系統(tǒng)開始從FIFO中依次讀取數據，讀取完1幀(188 B)數據后，讀使能關閉，系統(tǒng)不再讀取數據，此時hf-flag也變?yōu)?，FIFO的狀態(tài)又回到了初始狀態(tài)。

      2.4 緩存功能模塊

      圖4給出了FIFO的引腳定義：syn為傳送流同步字節(jié)；rst為復位信號；clk-r為讀時鐘；r-en為讀使能信號，當系統(tǒng)執(zhí)行讀操作時，該信號為"1"，clk-w為寫時鐘；datain為并行8位數據輸人；hf-flag為半滿信號，當FIFO中數據個數大于187時，該引腳輸出一個高電平；emp-flag為空標志；full-flag為滿標志；dataout為并行8位數據輸出。

      3 結束語

      本文基于FPGA的復用器輸入部分設計方案，程序調試簡單，通過實踐驗證，運行效果良好，達到了設計的要求，具有較高的實用價值。