FPGA設(shè)計(jì)的高速FIFO電路技術(shù)

本文主要介紹高速FIFO電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用，相關(guān)電路主要有高速A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA、SDRAM存儲(chǔ)器等。圖1為本方案的結(jié)構(gòu)框圖。在大容量高速采集系統(tǒng)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，FPGA作為可編程邏輯器件，設(shè)計(jì)靈活、可操作性強(qiáng)，是高速數(shù)字電路設(shè)計(jì)的核心器件。由于FPGA內(nèi)嵌存儲(chǔ)器的容量有限，通常不能夠滿足實(shí)際設(shè)計(jì)電路的需求，需要外接SRAM、SDRAM、磁盤(pán)陣列等大容量存儲(chǔ)設(shè)備。

A/D輸出的數(shù)據(jù)流速度快，經(jīng)過(guò)FPGA降速后，位數(shù)寬，速度仍然很高，不能直接存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器。在設(shè)計(jì)時(shí)，要經(jīng)過(guò)FIFO緩存，然后才能存儲(chǔ)到外部存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)的FIFO容量小、功能強(qiáng)，充分利用了FPGA內(nèi)部FIFO電路的特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際電路，優(yōu)化了整個(gè)電路模型的設(shè)計(jì)。

　　異步FIFO生成

　　FIFO占用的內(nèi)存資源為FPGA內(nèi)嵌的block RAM，由Xilinx公司提供的ISE開(kāi)發(fā)平臺(tái)自動(dòng)生成。讀寫(xiě)時(shí)鐘有通用時(shí)鐘和獨(dú)立時(shí)鐘可選，我們采用獨(dú)立時(shí)鐘，rd_clk和wr_clk獨(dú)立，為了保證在高速采集時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，rd_clk頻率不低于wr_clk。FIFO讀模式采用標(biāo)準(zhǔn)FIFO，每次啟動(dòng)采集時(shí)都要對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位，為異步復(fù)位，初始化內(nèi)部指針和輸出寄存器。在FIFO生成過(guò)程中，我們啟用almost_full 和almost_empty選項(xiàng)，以及prog_full 和prog_empty選項(xiàng)，prog_full和prog_empty要進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，具體設(shè)置參數(shù)如圖2所示。

　　FIFO接口信號(hào)定義

　　根據(jù)FIFO的生成過(guò)程，在圖3中給出了讀寫(xiě)時(shí)鐘域的信號(hào)定義，所有的在寫(xiě)時(shí)鐘域的輸入信號(hào)都必須經(jīng)過(guò)寫(xiě)時(shí)鐘同步，所有的在讀時(shí)鐘域的輸入信號(hào)都要經(jīng)過(guò)讀時(shí)鐘同步。信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)鐘同步后，可以確保在讀寫(xiě)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致讀寫(xiě)操作出現(xiàn)錯(cuò)誤。

下面對(duì)讀寫(xiě)時(shí)鐘域定義信號(hào)給予說(shuō)明：

　　rst:復(fù)位信號(hào)，高有效，異步復(fù)位，每次啟動(dòng)采集都要首先對(duì)FIFO進(jìn)行復(fù)位;

　　wr_clk：寫(xiě)時(shí)鐘;

　　wr_en：與寫(xiě)時(shí)鐘同步;

　　din：輸入數(shù)據(jù)總線;

　　rd_clk:讀時(shí)鐘;

　　dout：輸出數(shù)據(jù)總線;

　　full：FIFO全滿標(biāo)志;