FPGA與SRAM相結(jié)合完成大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷發(fā)展，大容量可編程邏輯器件的不斷涌現(xiàn)，FPGA技術(shù)越來越多地應(yīng)用在大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中。在此硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)遇到需要大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的情況，下面我們將針對(duì)FPGA中內(nèi)部Block RAM有限的缺點(diǎn)，提出了將FPGA與外部SRAM相結(jié)合來改進(jìn)設(shè)計(jì)的方法，并給出了部分VHDL程序。 

2 硬件設(shè)計(jì)

這里將主要討論以Xilinx公司的 FPGA（XC2S600E-6fg456）和ISSI公司的SRAM（IS61LV25616AL）為主要器件來完成大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)思路。

FPGA即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的門陣列相似,大量的可編程邏輯塊(CLB, Configurable Logic Block)在芯片中央按矩陣排列,芯片四周為可編程輸入/輸出塊(IOB, Input/Output Block),CLB行列之間及CLB和IOB之間具有可編程的互連資源(ICR, Inter Connect Resource)。CLB、IOB和ICR都由分布在芯片中的SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)單元控制,SRAM中的數(shù)據(jù)決定FPGA的功能,這些數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)加電時(shí)自動(dòng)或由命令控制從外部存儲(chǔ)器裝入 。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，可直接將數(shù)據(jù)寫入FPGA內(nèi)部的Block RAM中，在一定程度上減少了FPGA的資源分配。但FPGA內(nèi)部自帶的RAM塊畢竟是有限的，當(dāng)需進(jìn)行大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)這有限的RAM塊是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的。此時(shí)，就需要將FPGA與外部RAM相結(jié)合完成大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。具體硬件電路如圖一所示：

 
                                 圖一 硬件電路原理圖 

3 IS61LV25616AL功能簡(jiǎn)介

IS61LV25616AL是Integrated Silicon Solution 公司（ISSI）的一款容量為256K×16的且引腳功能完全兼容的4Mb的異步SRAM，可為Xilinx公司的Spartan-2E系列FPGA提供高性能、高消費(fèi)比的外圍存儲(chǔ)。除了256K×16異步SRAM外，ISSI還提供128K×16、512K×16、256K×8、512K×8和1M×8的異步SRAM。

IS61LV25616AL引腳結(jié)構(gòu)框圖如圖二所示：


  
                      圖二 IS61LV25616AL結(jié)構(gòu)框圖

3.1主要特征
(1)工作電壓：3.3伏；
(2)訪問時(shí)間：10ns、12ns；
(3)芯片容量：256K×16；
(4)封裝形式： 44引腳TSOPII封裝，也有48引腳mBGA和44引腳SOJ封裝；
(5)采用0.18μm技術(shù)制造；

3.2引腳功能
(1)A0～A17：18位的地址輸入線;
(2)IO0～I(xiàn)O15：16位的三態(tài)數(shù)據(jù)輸入輸出線;
(3)  ：寫控制線;
(4)  : 片選信號(hào);
(5)  ：輸出使能信號(hào)；
(6)  、 ：低字節(jié)、高字節(jié)使能信號(hào)； 
(3)～(6)的控制線均為低電平有效。

3.3控制邏輯電路設(shè)計(jì)                          
如圖三所示,控制邏輯由FPGA來實(shí)現(xiàn)。主要包括讀地址產(chǎn)生器、寫地址產(chǎn)生器、讀寫時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生器及讀寫控制等幾部分。下面分別加以講述。 
 


圖三 原理框圖

(1)寫地址產(chǎn)生器：由于設(shè)計(jì)時(shí)采用256K×16 的SRAM，故有18位地址，寫地址產(chǎn)生器用18位計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)?？客獠繒r(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，每進(jìn)行一次寫操作后,讀寫控制單元產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，使其增1，直到18位計(jì)數(shù)器計(jì)滿再循環(huán)寫入地址為0的空間。

(2)讀地址產(chǎn)生器同上，也采用18位計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)要求，每隔一定的采樣周期將讀地址指針偏移一定偏移量，并從該位置讀取數(shù)據(jù)。

(3)讀寫地址選擇器由于讀寫地址復(fù)用管腳，因此在讀寫操作時(shí)，必須選通相應(yīng)的地址。這就需要由FPGA控制芯片上的  、  、 、 等控制信號(hào)來對(duì)SRAM進(jìn)行讀寫的操作。

(4)此外，由于讀寫之間的切換，數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)在切換瞬間如不加處理會(huì)出現(xiàn)混亂現(xiàn)象。因此，為避免讀、寫操作發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)線呈三種狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)及高阻態(tài)。在從寫到讀的過程中需給數(shù)據(jù)線上送高阻態(tài)?！　?

(5) 當(dāng)需要對(duì)SRAM進(jìn)行寫操作時(shí)，由FPGA控制產(chǎn)生寫地址選通信號(hào)，該選通信號(hào)為一單脈沖形式，如圖四中  、 、 ，該脈沖下降沿觸發(fā)SRAM，告知開始對(duì)RAM進(jìn)行寫操作，使FPGA輸出寫地址，同時(shí)給數(shù)據(jù)線上送數(shù)據(jù)。在寫操作期間，  、 片選信號(hào)始終保持低電平，而寫地址選通信號(hào)上升沿到來時(shí)使寫地址計(jì)數(shù)器增1。以此類推，通過寫地址選通信號(hào)高低電平變化完成對(duì)數(shù)據(jù)依次寫入。需要注意的是，地址線和數(shù)據(jù)線在  、 、 為高時(shí)可同時(shí)賦新值，但只有在 變低后賦予數(shù)據(jù)線上的新值才有效。

圖四 RAM寫操作時(shí)序

對(duì)SRAM進(jìn)行讀操作相對(duì)較簡(jiǎn)單，在進(jìn)行讀操作期間，   、  、 、 始終為低電平， 始終為高電平。每進(jìn)行一次讀操作，地址按系統(tǒng)要求變化一次。同時(shí)注意，地址的變化時(shí)刻總要先于數(shù)據(jù)的變化時(shí)刻。圖五為RAM讀操作時(shí)序。 
 

　　　　　　　　　　　　　　    圖五 RAM讀操作時(shí)序

以下是一段用VHDL語言描述的控制RAM的讀寫操作時(shí)序的程序代碼：
OE_SRAM<=LOWLEVEL;
CE_SRAM<=LOWLEVEL;
when 0    =>  addr_SRAM<=temp_addr_SRAM;                 --WRITE to SRAM  
        data_SRAM<=data_in;
        WE_SRAM<='1';
        LB_SRAM<='1';
        UB_SRAM<='1';    
when 1 =>   WE_SRAM<='0';
        LB_SRAM<='0';
        UB_SRAM<='0';
when 2 =>   WE_SRAM<='1';
        LB_SRAM<='1';
        UB_SRAM<='1';
when 3 =>   WE_SRAM<='1';                         　--READ from SRAM
        LB_SRAM<='0';
        UB_SRAM<='0';
        data_SRAM<=b"ZZ_ZZZZ_ZZZZ_ZZZZ_ZZZZ";   --給數(shù)據(jù)線上送高阻
        addr_SRAM<=temp_addr_SRAM;
when 4 =>    data_out <=data_SRAM;

程序中，在進(jìn)行讀寫操作時(shí)，片選使能信號(hào)CE_SRAM及輸出使能信號(hào)OE_SRAM始終為低電平。
· 第０時(shí)刻到第２時(shí)刻在進(jìn)行寫操作：第0時(shí)刻地址線addr_SRAM和數(shù)據(jù)線data_SRAM同時(shí)賦新值，控制線WE_SRAM 、LB_SRAM、 UB_SRAM要經(jīng)歷一個(gè)窄脈沖的變化過程， RAM在獲取到此控制線下降沿信息后，便知開始進(jìn)行寫操作。需要注意的是，雖然數(shù)據(jù)在第0時(shí)刻已賦到數(shù)據(jù)線上，但因?yàn)閷懖僮魇强刂凭€低電平有效，所以數(shù)據(jù)線上真正發(fā)生數(shù)據(jù)更新是在控制線變?yōu)榈碗娖街?，因此，?shù)據(jù)線上的實(shí)際更新時(shí)刻是在第2個(gè)時(shí)刻。

·第３、４狀態(tài)是進(jìn)行讀操作：在讀寫轉(zhuǎn)換時(shí)刻，也就是在第３時(shí)刻如前所述需給數(shù)據(jù)線上送高阻態(tài)。這樣，讀取數(shù)據(jù)的時(shí)序關(guān)系由系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行控制，在第3時(shí)刻給地址線上送要讀取的地址，第4時(shí)刻將數(shù)據(jù)端口上的數(shù)據(jù)送出。這里需注意的是，讀取數(shù)據(jù)要比讀取地址晚一個(gè)時(shí)刻。從而，完成了對(duì)外部RAM的讀寫操作控制。

４結(jié)論

該系統(tǒng)已應(yīng)用在羅蘭—Ｃ導(dǎo)航接收機(jī)的信號(hào)處理中。實(shí)驗(yàn)證明，此設(shè)計(jì)可靠穩(wěn)定地完成了大容量高速異步數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性能。