基于FPGA的FIFO設(shè)計(jì)和應(yīng)用

引 言

　　在利用DSP實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)，需要進(jìn)行大量高速的圖像采集。而DSP本身自帶的FIFO并不足以支持系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)，這就要求大的中間緩存，而專用的高速FIFO芯片價(jià)格昂貴且容量受限，大大增加了商業(yè)成本，因此在實(shí)際應(yīng)用中尋找FIFO代替器件是很有必要的。

　　1 器件選擇

　　這里在視頻信號(hào)處理系統(tǒng)中，將利用FPGA作為橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的控制，以達(dá)到大量高速存取數(shù)據(jù)的功能。之所以選取SDRAM，主要是因?yàn)樵诟鞣N隨機(jī)存取器件中，SDRAM的容量較大，價(jià)格較低，且數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式大大提高了存取速度，能夠滿足應(yīng)用的要求。

　　FIFO的速度受到兩個(gè)因素的限制：

　　(1)SDRAM的最高工作頻率。SDRAM的工作頻率越高，數(shù)據(jù)的傳輸速率就越高；

　　(2)SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度。SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)流的吞吐量就越大，可以從某種程度上提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。

　　FIFO的大小由所選SDRAM芯片的容量來(lái)決定。該設(shè)計(jì)以采用MICRON公司的MT48LC4M3282(4 BANK×4M×32 b)為例，存儲(chǔ)容量為128 Mb，數(shù)據(jù)帶寬為32位，內(nèi)部由4個(gè)BANK組成，每個(gè)BANK有4 096行和256列。

　　MT48LC4M3282的控制信號(hào)有CLK(時(shí)鐘信號(hào))、CKE(時(shí)鐘使能)、CS(片選信號(hào))、WE(寫使能)、CAS(列有效)、RAS(行有效)、DQM0～DQM3(輸入輸出使能)。控制信號(hào)組成的常用控制命令如表1所示。

　　2 FIFO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　FIFO系統(tǒng)由FGPA和SDRAM兩部分組成。其中，F(xiàn)GPA內(nèi)部包含F(xiàn)IFO監(jiān)控器、緩沖器、SDRAM控制器三個(gè)模塊。FIFO監(jiān)控器的作用是將FIFO的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成狀態(tài)機(jī)的讀、寫信號(hào)。若操作為向SDRAM寫數(shù)據(jù)，則在FIFO已滿時(shí)，F(xiàn)IFO監(jiān)控器送出一個(gè)信號(hào)，以阻止寫操作繼續(xù)向FIFO中寫數(shù)據(jù)而造成溢出；若操作為向SDRAM讀數(shù)據(jù)，則在緩沖器已空時(shí)，F(xiàn)IFO監(jiān)控器送出一個(gè)信號(hào)，以阻止讀操作繼續(xù)從FIFO中讀數(shù)據(jù)而造成無(wú)效數(shù)據(jù)的讀出。FIFO的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在該設(shè)計(jì)中，攝像頭采用640×480的屏幕分辨率，圖像深度為8，每秒為25幀，圖像數(shù)據(jù)量的大小為圖像中像素總數(shù)與圖像深度的乘積，由此可以得出每幀圖像的大小為2．457 Mb，每秒鐘視頻產(chǎn)生數(shù)據(jù)的大小為61．44 Mb。因?yàn)橄到y(tǒng)向SDRAM控制器寫入和讀出數(shù)據(jù)的速度比較低，約為62 MHz，F(xiàn)PGA的外接晶振CLK為27 MHz，F(xiàn)PGA和SDRAM的工作時(shí)鐘由鎖相環(huán)4倍頻后生成，即為108 MHz，所以SDRAM控制器向SDRAM寫入和讀出數(shù)據(jù)的速率為108 MHz，因此二者屬于不同的時(shí)鐘域，需要用緩沖器作為輸入和輸出的緩存。

　　SDRAM控制器的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中SDRAM控制器內(nèi)部包括：初始化模塊、模式寄存器、控制模塊和狀態(tài)機(jī)。SDRAM的接口設(shè)計(jì)是極其關(guān)鍵的，可根據(jù)SDRAM內(nèi)部操作狀態(tài)之間的聯(lián)系，通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)。初始化模塊負(fù)責(zé)SDRAM的初始化，在上電和時(shí)鐘穩(wěn)定后等待100 ms，至少執(zhí)行一條空操作，然后對(duì)所有頁(yè)執(zhí)行預(yù)充電操作，使所有頁(yè)處于空閑狀態(tài)，接著向各頁(yè)發(fā)出兩條刷新操作指令，最后發(fā)出一個(gè)模式寄存器裝載命令，使SDRAM有確定的狀態(tài)進(jìn)行讀寫操作。模式寄存器可根據(jù)要求對(duì)SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類型、CAS延時(shí)的時(shí)鐘數(shù)、運(yùn)行模式和寫突發(fā)模式進(jìn)行設(shè)置，確定SDRAM在讀寫操作時(shí)的工作狀態(tài)。模式寄存器M0～M2用于規(guī)定突發(fā)長(zhǎng)度，可以為1，2，4，8。M3用于規(guī)定突發(fā)類型，當(dāng)M3=0時(shí)，突發(fā)類型是連續(xù)的；當(dāng)M3=1時(shí)，突發(fā)類型是交錯(cuò)的。M4～M6用于規(guī)定CAS延遲的時(shí)鐘周期數(shù)，可以分為1，2，3。M7，M8用于規(guī)定運(yùn)行模式。M9用于規(guī)定寫突發(fā)模式，當(dāng)M9=0時(shí)，按實(shí)際編程的突發(fā)長(zhǎng)度存取；當(dāng)M9=1時(shí)，按單個(gè)存取單元寫入，但可按實(shí)際編程的突發(fā)長(zhǎng)度讀出。

　　狀態(tài)機(jī)是SDRAM控制器的核心控制模塊，其作用主要有兩個(gè)方面：其一是對(duì)各模塊發(fā)出的操作請(qǐng)求進(jìn)行仲裁，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)刻作出反映，發(fā)出對(duì)SDRAM適當(dāng)?shù)目刂泼睿黄涠菂f(xié)調(diào)各模塊之間的時(shí)序關(guān)系，滿足對(duì)SDRAM讀寫所必需的時(shí)序要求。狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

　　在模式設(shè)定之后，BANK和行地址選中需要訪問(wèn)數(shù)據(jù)所在的具體BANK塊和行，狀態(tài)機(jī)對(duì)這一行發(fā)出激活命令，從激活到讀寫操作需要經(jīng)過(guò)一個(gè)tRCD的延時(shí)，設(shè)計(jì)中選tRCD=20 ns，而系統(tǒng)時(shí)鐘周期為9．26 ns，所以從激活到執(zhí)行讀寫操作之間至少需要3個(gè)時(shí)鐘周期。在執(zhí)行讀寫操作時(shí)，只要狀態(tài)機(jī)通過(guò)讀寫命令選中數(shù)據(jù)所在行的列地址，就能達(dá)到讀寫具體存儲(chǔ)單元的目的。狀態(tài)機(jī)對(duì)SDRAM發(fā)出一個(gè)讀命令后，需要等待一個(gè)CAS latency，然后才能讀數(shù)據(jù)；而寫操作是實(shí)時(shí)的，不需要延時(shí)，狀態(tài)機(jī)在發(fā)出寫命令后，就可以對(duì)SDRAM進(jìn)行寫操作。SDRAM同時(shí)只允許一行地址激活，因此在完成某BANK／ROW的讀寫操作后，對(duì)該BANK／ROW進(jìn)行預(yù)充電，然后才能激活下一個(gè)BANK／ROW。從預(yù)充電成功到下一次激活命令成功，如果是在同一個(gè)BANK塊，則需要延時(shí)tRC，如果是不同的BANK塊，則需要延時(shí)tRRD。

SDRAM要求在64 ms之內(nèi)對(duì)4 096行進(jìn)行刷新，也就是每15．625μs刷新一行。由于系統(tǒng)時(shí)鐘周期為9．26 ns，所以刷新模塊計(jì)數(shù)達(dá)到1 685時(shí)，就需要對(duì)SDRAM發(fā)出刷新命令，保證SDRAM中的數(shù)據(jù)不丟失。將自動(dòng)刷新請(qǐng)求設(shè)為優(yōu)先請(qǐng)求，狀態(tài)機(jī)內(nèi)部有請(qǐng)求仲裁邏輯，當(dāng)自動(dòng)刷新請(qǐng)求和其他請(qǐng)求同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，優(yōu)先保證自動(dòng)刷新請(qǐng)求，狀態(tài)轉(zhuǎn)移至刷新操作，當(dāng)刷新操作結(jié)束時(shí)，重新返回空閑狀態(tài)，開始響應(yīng)其他請(qǐng)求。

　　3 工程應(yīng)用介紹

　　該設(shè)計(jì)目的是為了擴(kuò)展TMS320DM642的FIFO容量，以FPGA為接口，實(shí)現(xiàn)與SDRAM的連接。TMS320DM642可以對(duì)4 GB的地址進(jìn)行尋址，而實(shí)際應(yīng)用中FIFO的容量只有256 KB，尋址空間為0x0184000~0x0187FFFF，因此在實(shí)際應(yīng)用中必須進(jìn)行擴(kuò)展。這里采用1片MICRON公司的MT48LC4M3282型號(hào)的128 Mb SDRAM，采用32位數(shù)據(jù)總線，將其通過(guò)FPGA配置在TMS320DM642處理器的EMIFA CE3上，其地址范圍為0xB0000000～0xB7FFFFFF。在該設(shè)計(jì)中，突發(fā)長(zhǎng)度為8，CAS latency為3。圖4為用Modelsim SE 6．0仿真的SDRAM讀時(shí)序圖。

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　該設(shè)計(jì)已應(yīng)用于目標(biāo)識(shí)別與跟蹤系統(tǒng)中的幀緩沖。文中主要介紹了SDRAM的具體信號(hào)關(guān)系，說(shuō)明各種操作命令，給出在高速圖像存儲(chǔ)系統(tǒng)中SDRAM控制器的具體硬件接口設(shè)計(jì)。大容量存儲(chǔ)器是FIFO的發(fā)展方向，從現(xiàn)在通用的SDRAM、專用的SRAM，到DDR SDRAM，容量越來(lái)越大，速度也越來(lái)越快，而用FPGA作為SDRAM的控制器，具有最大的靈活性，也能在最大限度上發(fā)揮SDRAM高速度的優(yōu)勢(shì)，因此對(duì)它進(jìn)行研究具有重要的意義。