SDRAM文件結(jié)構(gòu)存儲控制的FPGA實現(xiàn)

O 引言

面對不同的應(yīng)用場景，原始采樣數(shù)據(jù)可能包含多種不同樣式的信號，這給傳統(tǒng)基于連續(xù)存儲方式的數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)帶來了挑戰(zhàn)。除此之外，由于對不同信號的處理往往需要不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，緩存系統(tǒng)的設(shè)計需要保存原始采樣數(shù)據(jù)并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的重組幀，以滿足不同處理需求。針對以上問題，本文提出了一種基于文件結(jié)構(gòu)存儲方式的數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)化狀態(tài)機實現(xiàn)對SDRAM的控制，完成了對數(shù)據(jù)的緩存與重組幀，具有速度快、可靠性高、靈活性強和功能可擴展等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在系統(tǒng)設(shè)計上，采樣的數(shù)據(jù)都會采用數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，一般的設(shè)計大多是基于幀頭加數(shù)據(jù)的格式。在幀頭中包含一些數(shù)據(jù)的特征信息，其中最常見的有數(shù)據(jù)到達時間和數(shù)據(jù)結(jié)束時間。

傳統(tǒng)緩存系統(tǒng)的設(shè)計一般是采用幀頭加數(shù)據(jù)，幀頭加數(shù)據(jù)的連續(xù)存儲方式，系統(tǒng)發(fā)讀命令將幀頭和數(shù)據(jù)連續(xù)讀出送往后端，后端處理系統(tǒng)通過識別幀頭信息判斷該數(shù)據(jù)幀的長度，然后把該長度的數(shù)據(jù)做進一步處理。這種設(shè)計在單一的信號環(huán)境下具有結(jié)構(gòu)簡單，控制容易的優(yōu)點，但是它僅適應(yīng)于單一處理模式的系統(tǒng)，擴展性和移植性較差。

面對不同的應(yīng)用場景，傳統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)不能滿足不同的處理需求，因為單次采樣的原始數(shù)據(jù)可能包含多種不同信號樣式的信號，對不同信號的處理往往也需要不同的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，如不同的抽取，不同的數(shù)據(jù)幀長等。而連續(xù)存儲結(jié)構(gòu)很難在緩存系統(tǒng)中實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的靈活操作及數(shù)據(jù)的重組幀，只能把重組幀任務(wù)放在后端系統(tǒng)來處理，加重了后端系統(tǒng)的負擔?；诖耍疚奶岢隽艘环N基于文件結(jié)構(gòu)的存儲方式，并且在緩存系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)重組幀的任務(wù)，減輕了后端的負擔。

整個系統(tǒng)的設(shè)計以FPGA為核心控制器來組織工作，它由系統(tǒng)總控System Master與SDRAM驅(qū)動控制器SDRAM Controller組成。System Mas-ter接收高層控制指令，向SDRAM Controller發(fā)出命令，SDRAM Controller將命令翻譯為底層SDRAM芯片的讀寫指令字精確控制其完成讀寫操作。系統(tǒng)主要解決的問題是基于文件結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)重組幀和數(shù)據(jù)事后讀取。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 文件結(jié)構(gòu)的存儲方式

所謂文件結(jié)構(gòu)指的是，將幀頭與其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)分區(qū)存儲，在存儲時將存儲數(shù)據(jù)的首地址添加到幀頭信息中，在讀出時，先讀取幀頭找到數(shù)據(jù)的首地址，然后加上系統(tǒng)給定的偏移地址算出讀取的起始地址，從該地址開始順序讀取要求長度(小于等于幀長)的數(shù)據(jù)，在送往后端系統(tǒng)時更新幀頭信息，后端系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)無需做預(yù)處理直接進行計算即可。圖2是2種存儲結(jié)構(gòu)的比較。

基于文件結(jié)構(gòu)的存儲方式便于對數(shù)據(jù)進行管理與操作，功能擴展容易。例如有些處理只對數(shù)據(jù)的幀頭信息進行相關(guān)操作，基于文件結(jié)構(gòu)的存儲模式可以很方便地支持這種工作模式，只需對緩存介質(zhì)的幀頭區(qū)進行操作，而傳統(tǒng)的設(shè)計則很難滿足這種需求，因此新的設(shè)計極大地提高了系統(tǒng)的靈活性。

2.2 數(shù)據(jù)重組幀的實現(xiàn)

在設(shè)計上，用SDRAM的BANK0(BANK地址“00")和BANKl(BANK地址“01”)存儲原始數(shù)據(jù)，BANK2(BANK地址“10”)存儲要送往后端計算的數(shù)據(jù)，BANK3(BANK地址“11”)存儲數(shù)據(jù)的幀頭信息。系統(tǒng)在接收到數(shù)據(jù)重組幀命令后，按照要求抽取，幀數(shù)，幀長和幀間隔從低 BANK區(qū)讀取原始數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)重組幀模塊形成新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，然后將新的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)按照文件結(jié)構(gòu)存儲到高BANK區(qū)中。其實現(xiàn)框圖如圖3所示。

3 控制模塊的結(jié)構(gòu)化狀態(tài)機設(shè)計

在系統(tǒng)架構(gòu)上采用了結(jié)構(gòu)化狀態(tài)機的設(shè)計方法，通過分層有限狀態(tài)機實現(xiàn)了主控狀態(tài)機與具體操作控制狀態(tài)機的分離，使設(shè)計結(jié)構(gòu)清晰，劃分合理。降低了設(shè)計的復(fù)雜性，同時使系統(tǒng)更具有通用性。

3.1 高層工作模式主控狀態(tài)機設(shè)計

該緩存系統(tǒng)有3種工作模式：寫模式，讀模式和數(shù)據(jù)重組幀模式。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖4所示。

系統(tǒng)在空閑狀態(tài)等待SDRAM初始化完成，當SDRAM完成初始化以后進入準備狀態(tài)，表示系統(tǒng)可以接收命令，在收到寫命令后進入寫工作模式，低層寫輔助控制模塊激活，當完成寫操作命令后產(chǎn)生一寫完成標志信號，反饋回主控系統(tǒng)促使主控系統(tǒng)完成狀態(tài)跳轉(zhuǎn)回到準備狀態(tài)等待下一次命令，收到讀取命令后系統(tǒng)進入讀工作模式，低層讀輔助控制模塊開始工作當完成讀取操作后產(chǎn)生一讀完成標志信號，反饋回主控系統(tǒng)使其回到準備狀態(tài)等待命令，同樣系統(tǒng)收到數(shù)據(jù)重組幀命令后進人數(shù)據(jù)重組幀模式，低層重組幀輔助控制模塊開始工作完成重組幀任務(wù)后產(chǎn)生標志信號控制主控狀態(tài)機再次回到準備狀態(tài)，等待下一次命令。

這種結(jié)構(gòu)化狀態(tài)機的設(shè)計，層次劃分合理清晰，工作模式的切換只在主控狀態(tài)機中實現(xiàn)，各低層輔助控制模塊僅僅實現(xiàn)其特定的功能，完全沒有交互。因此這種設(shè)計可以很方便地進行功能擴展，以后系統(tǒng)要增加新的工作模式，只需再加入一個狀態(tài)，并單獨設(shè)計其輔助控制模塊即可，無需對原有工作模式進行改動。同時，這種分層設(shè)計符合模塊化設(shè)計的思想，降低了設(shè)計的復(fù)雜性，易于調(diào)試。

3.2 低層寫輔助控制模塊的設(shè)計

寫輔助控制模塊用來實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)和第1次計算數(shù)據(jù)基于文件結(jié)構(gòu)的存儲。為了提高系統(tǒng)效率，第1次計算所需的數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)同時存儲。其總體設(shè)計框圖如圖5所示。

寫輔助控制模塊在主控狀態(tài)機進入寫工作模式時激活，通過將原始數(shù)據(jù)分為2路，一路進入原始數(shù)據(jù)緩存控制模塊實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的緩存，當原始數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量積累到SDRAM一次突發(fā)寫所需長度時，該控制模塊發(fā)出寫標志信號通知寫模式控制狀態(tài)機，寫模式控制狀態(tài)機響應(yīng)寫標志信號，向SDRAM驅(qū)動控制器發(fā)出寫指令字控制SDRAM將原始數(shù)據(jù)寫入SDRAM的原始數(shù)據(jù)區(qū);另一路進入1st計算數(shù)據(jù)構(gòu)造與緩存控制模塊，該模塊用來完成1st計算數(shù)據(jù)的幀頭與數(shù)據(jù)的構(gòu)造和緩存，當幀頭構(gòu)造完畢時，通知寫模式控制狀態(tài)機，將幀頭(包含數(shù)據(jù)存儲首地址信息)寫入到SDRAM的幀頭區(qū)中，同時當新數(shù)據(jù)量達到一次突發(fā)寫入時，將新數(shù)據(jù)寫入SDRAM的計算數(shù)據(jù)區(qū)中，直到將所有數(shù)據(jù)都寫入到SDRAM的對應(yīng)區(qū)內(nèi)，寫模式控制狀態(tài)機發(fā)出寫完成標志信號，反饋給高層主控狀態(tài)機。

3.3 低層讀輔助控制模塊的設(shè)計

讀輔助控制模塊，接收讀指令字，該指令字包括幀數(shù)、幀長和偏移地址。幀數(shù)表征著本次命令要從SDRAM中讀取多少幀數(shù)據(jù)，幀長表示每幀數(shù)據(jù)要讀取的長度 (按采樣點數(shù)算)，偏移地址控制對數(shù)據(jù)的移位讀操作。按照指令要求從SDRAM的高BANK區(qū)，讀出數(shù)據(jù)送往后端。圖6是其總體設(shè)計框圖。

讀輔助控制模塊在主控狀態(tài)機進入讀工作模式開始工作，它先控制SDRAM驅(qū)動器從SDRAM幀頭區(qū)中讀取一個幀頭，送入緩存及幀頭更新模塊，該模塊一方面按照指令字更新幀頭信息中的數(shù)據(jù)到達與結(jié)束時間，另一方面從幀頭信息中找到本幀數(shù)據(jù)的存儲首地址然后加上讀指令字中的偏移地址算出本次對數(shù)據(jù)讀操作的起始地址，該地址反饋給讀模式控制狀態(tài)機，控制SDRAM從該地址開始順序讀出數(shù)據(jù)，完成一幀數(shù)據(jù)的讀取操作送往數(shù)據(jù)緩存模塊，重復(fù)以上操作直到完成讀指令任務(wù)，讀模式控制狀態(tài)機發(fā)出讀完成標志信號，反饋給高層主控狀態(tài)機。

3.4 低層數(shù)據(jù)重組幀輔助控制模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)重組幀輔助控制模塊，接收重組幀指令字，該指令字包括重組幀幀數(shù)、幀長、幀間隔以及抽取因子，控制SDRAM讀取原始數(shù)據(jù)，生成新的需要的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，并按文件結(jié)構(gòu)將其寫到SDRAM的計算數(shù)據(jù)區(qū)中。其總體設(shè)計框圖7所示。

數(shù)據(jù)重組幀輔助控制模塊在主控狀態(tài)機進入重組幀工作模式時開始工作，新數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)生成及緩存模塊先構(gòu)造第一幀數(shù)據(jù)的幀頭信息，當幀頭構(gòu)造完畢后，它向重組幀模式控制狀態(tài)機發(fā)出幀頭完畢信號，狀態(tài)機收到信號后向SDRAM發(fā)出寫命令將新的數(shù)據(jù)幀頭寫入到幀頭區(qū)中，然后它按照重組幀指令字的要求從SDRAM的原始數(shù)據(jù)區(qū)讀出原始數(shù)據(jù)送往新數(shù)據(jù)生成模塊，當新數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量達到一次突發(fā)寫長度時，再控制SDRAM將新的數(shù)據(jù)寫入到SDRAM的重組幀數(shù)據(jù)區(qū)中，直到將一幀新的數(shù)據(jù)都存儲到SDRAM中，記錄此時的寫地址并將其作為下一幀數(shù)據(jù)的存儲首地址加入到下一幀幀頭信息中，并發(fā)出構(gòu)造第2幀幀頭的命令，等待第2 幀幀頭完畢標志，重復(fù)上面的操作，直到完成要求的重組幀指令。完成操作后重組幀模式控制狀態(tài)機發(fā)出重組幀完成標志信號，反饋給高層主控狀態(tài)機。

4 硬件平臺及實測結(jié)果

在xilinx的開發(fā)工具ISE環(huán)境下完成了系統(tǒng)的整體設(shè)計與仿真，利用xilinx公司的xc2v3000-4fg676FPGA芯片和MICRONE公司的MT48LC32M1 6A2SDRAM芯片搭建了硬件平臺，并進行測試。其實測結(jié)果如圖8所示。

主控狀態(tài)機接收上層的控制命令(寫命令、讀命令和重組幀命令)分別啟動寫工作模式、讀工作模式和重組幀工作模式;低層各控制模塊在完成任務(wù)時將完成標志 (寫完成標志、讀完成標志和重組幀完成標志)反饋給主控狀態(tài)機控制其跳轉(zhuǎn)到就緒狀態(tài)繼續(xù)等待下次命令。結(jié)果證明該緩存系統(tǒng)實現(xiàn)了預(yù)定功能，可以對數(shù)據(jù)進行更方便的操作與管理。

5 結(jié)語

本文提出一種基于文件結(jié)構(gòu)存儲方式的新數(shù)據(jù)緩存系統(tǒng)，利用FPGA設(shè)計結(jié)構(gòu)化狀態(tài)機通過對SDRAM的讀寫控制，完成了具有數(shù)據(jù)重組幀功能的緩存系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)具有速度快，可靠性好，靈活性強，功能擴展容易的優(yōu)點。該系統(tǒng)已應(yīng)用于實際項目試驗，在基于實時復(fù)雜信號處理的緩存系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。