基于VHDL和FPGA的非對(duì)稱同步FIFO設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

FIFO是一種常用于數(shù)據(jù)緩存的電路器件，可應(yīng)用于包括高速數(shù)據(jù)采集、多處理器接口和通信中的高速緩沖等各種領(lǐng)域。然而在某些應(yīng)用，例如在某數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)中，需要通過(guò)同步FIFO來(lái)連接8位A/D和16位數(shù)據(jù)總線的MCU，但是由于目前同步FIFO器件的輸入與輸出數(shù)據(jù)總線寬度相等，不能滿足這種應(yīng)用，因此通常采用輸入與輸出數(shù)據(jù)總線寬度均為8位的同步FIFO作為它們之間的數(shù)據(jù)緩沖，并對(duì)MCU數(shù)據(jù)總線的高8位采用軟件進(jìn)行屏蔽，或是在同步FIFO外圍增加數(shù)據(jù)鎖存器及邏輯控制器件的方法解決。為了提高效率和降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，本文采用VHDL描述語(yǔ)言，充分利用Xilinx公司Spartan II FPGA的系統(tǒng)資源，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種非對(duì)稱同步FIFO(輸入與輸出數(shù)據(jù)總線寬度不一致的同步FIFO)，它不僅提供數(shù)據(jù)緩沖，而且能進(jìn)行數(shù)據(jù)總線寬度的轉(zhuǎn)換。

非對(duì)稱同步FIFO的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

對(duì)于非對(duì)稱同步FIFO的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不能簡(jiǎn)單地通過(guò)修改現(xiàn)成的同步FIFO模塊而得到，這是因?yàn)榉菍?duì)稱同步FIFO的設(shè)計(jì)有以下幾個(gè)需要解決的難點(diǎn)問(wèn)題：

(1) 寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度不同。設(shè)寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度分別為Win和Wout，必須對(duì)Win>Wout和Win<Wout這兩種情況進(jìn)行寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度的正確轉(zhuǎn)換。
(2) 如何協(xié)調(diào)內(nèi)部處理過(guò)程中不同的時(shí)鐘頻率。例如輸入2個(gè)8位字節(jié)需2個(gè)時(shí)鐘周期，而輸出1個(gè)16位字節(jié)只需1個(gè)時(shí)鐘周期，所以必須為內(nèi)部數(shù)據(jù)處理提供不同的時(shí)鐘頻率。
(3) 由于寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度不同，所以，要操作正確，必須保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)排列的順序及空/滿標(biāo)志產(chǎn)生的正確。

另外，由于FPGA中的寄存器個(gè)數(shù)有限，而FIFO是一種基于RAM的器件，需要占用大量的存儲(chǔ)空間。通常在編寫(xiě)VHDL程序時(shí)用數(shù)組描述的方法來(lái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，在綜合時(shí)會(huì)耗用大量的寄存器，所以這種方法在FIFO的設(shè)計(jì)中是不可行的。

非對(duì)稱同步FIFO的設(shè)計(jì)

針對(duì)以上設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)，本文采用VHDL描述語(yǔ)言，利用Xilinx公司Spartan II FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種非對(duì)稱同步FIFO，設(shè)計(jì)中充分利用了FPGA中的資源如時(shí)鐘延遲鎖相環(huán)(DLL)和BlockRAM。

FPGA中的DLL

FPGA 中的DLL是一種很好的資源，Xilinx公司Spartan II、Spartan IIE、Virtex-E等系列器件中就采用時(shí)鐘延遲鎖相環(huán)技術(shù)進(jìn)行FPGA內(nèi)部的時(shí)鐘控制，它可以對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行倍頻、鎖相等操作。

本設(shè)計(jì)中要利用Spartan II系列器件中的DLL產(chǎn)生二倍頻時(shí)鐘信號(hào)。其中IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF是時(shí)鐘緩沖器，提供時(shí)鐘信號(hào)的最小時(shí)延。

FPGA中的RAM

Xilinx公司的FPGA器件提供了片內(nèi)RAM可供直接使用，而不必使用寄存器來(lái)構(gòu)成存儲(chǔ)空間，從而大大提高了芯片的利用率。根據(jù)型號(hào)的不同，F(xiàn)PGA中提供了兩種結(jié)構(gòu)的RAM：分布式RAM和BlockRAM。分布式RAM可以利用可配置邏輯模塊(CLB) 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，主要用于小容量片內(nèi)存儲(chǔ)；BlockRAM是FPGA內(nèi)部的專(zhuān)用RAM模塊，通常沿芯片的垂直邊排列。根據(jù)具體型號(hào)不同，F(xiàn)PGA內(nèi)部的BlockRAM在單位容量和總體容量上都有較大的不同。本設(shè)計(jì)將采用BlockRAM用于FIFO的編寫(xiě)。由于在Xilinx公司Spartan II FPGA器件庫(kù)中沒(méi)有現(xiàn)成的宏模塊，就需要自己生成BlockRAM模塊，具有較高的靈活度。利用Xilinx公司的配套軟件ISE Foundation和ISE WebPACK中都帶有的CoreGenerator程序包，可以很方便地建立用戶所需的模塊。只需要輸入BlockRAM模塊的名稱、BlockRAM的類(lèi)型(如單口還是雙口)、地址線和數(shù)據(jù)線的寬度，就可以生成用戶希望得到的結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，生成的結(jié)構(gòu)會(huì)自動(dòng)加載到當(dāng)前的項(xiàng)目中，從而可以像器件庫(kù)中的元件一樣調(diào)用。

非對(duì)稱同步FIFO的結(jié)構(gòu)

下面以Win<Wout(設(shè)Win=8，Wout=16)這種情形為例，介紹非對(duì)稱同步FIFO模塊的設(shè)計(jì)。非對(duì)稱同步FIFO的結(jié)構(gòu)框圖，圖中還顯示了各模塊端口及信號(hào)互連關(guān)系。其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：

(1) 由于寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度不同，所以在設(shè)計(jì)雙口RAM時(shí)把雙口RAM設(shè)計(jì)成寫(xiě)口RAM和讀口RAM兩個(gè)部分。例如FIFO寫(xiě)口RAM部分為512×8，讀口RAM部分為256×16，這樣通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的改變達(dá)到寫(xiě)數(shù)據(jù)與讀數(shù)據(jù)總線寬度的轉(zhuǎn)換。
(2) 由于讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率是寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)鐘頻率的兩倍，因此可利用FPGA中的DLL產(chǎn)生二倍頻時(shí)鐘信號(hào)來(lái)提高寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率，使讀數(shù)據(jù)和寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)鐘頻率相等。二倍頻時(shí)鐘信號(hào)提供給寫(xiě)口RAM、寫(xiě)地址產(chǎn)生模塊，而源時(shí)鐘信號(hào)(一倍頻)提供給讀口RAM、讀地址產(chǎn)生模塊及空/滿標(biāo)志產(chǎn)生模塊，從而解決了內(nèi)部數(shù)據(jù)處理同步的問(wèn)題。
(3) 由于雙口RAM中存在兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，因此地址位數(shù)不同，讀地址和寫(xiě)地址不能一一對(duì)應(yīng)，例如FIFO寫(xiě)口RAM部分為512×8，讀口RAM部分為256×16，因此寫(xiě)地址要求9位，而讀地址要求8位，對(duì)于同一數(shù)據(jù)的寫(xiě)地址與讀地址，寫(xiě)地址的高8位與讀地址的8位相等，它們的區(qū)別僅在寫(xiě)地址的最低一位。因此可把寫(xiě)地址的高8位與讀地址一同輸入空/滿標(biāo)志產(chǎn)生模塊，從而得到正確的full和empty信號(hào)。下面僅給出讀寫(xiě)地址產(chǎn)生邏輯及空/滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯的VHDL設(shè)計(jì)程序：
fifo_write : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
wr_addr <= 0; //寫(xiě)地址初始化
else
if (wr_en = '1' and full = '0')then
wr_data_buf (wr_addr) <= To_Bitvector(wr_data (7 downto 0));
//寫(xiě)數(shù)據(jù)，其中wr_data_buf定義為基于BlockRAM的存儲(chǔ)矩陣
wr_addr <= (wr_addr + 1) mod 8;// 寫(xiě)地址增加1
end if;
end if;
end process;
fifo_read : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
rd_addr <= 0;
//讀地址初始化
else
if (rd_en = '1' and empty = '0') then
rd_data (15 downto 0) <= wr_data_buf (rd_addr);//讀數(shù)據(jù)
rd_addr <= (rd_addr - 1) mod 16;// 讀地址減1
end if;
end if;
end process;
wr_addr1 <= wr_addr / 2 ;//取寫(xiě)地址的高8bit
Offset <= (wr_addr1 - rd_addr) when (wr_addr 1> rd_addr)
else (m - (rd_addr - wr_addr1)) when (rd_addr > wr_addr1) ;// m定義為fifo的深度
else 0; 
empty&lt;= '1' when (Offset = 0) else '0'; 
full&lt;= '1' when (Offset = (m-1)) else '0'; 

方案實(shí)現(xiàn)

文中用VHDL語(yǔ)言描述了硬件結(jié)構(gòu)，在Xilinx 公司Spartan II FPGA XC2S100-TQ144中通過(guò)了Xilinx ISE WebPACK的綜合及布局布線。FPGA的規(guī)模是10萬(wàn)門(mén)，速度可達(dá)到56.344MHz。

有幾點(diǎn)需要說(shuō)明的是：(1) VHDL程序設(shè)計(jì)采用多層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，把系統(tǒng)分解成若干個(gè)模塊，其中模塊又由若干個(gè)元件構(gòu)成。設(shè)計(jì)從元件開(kāi)始，其中設(shè)計(jì)中用到的CLKDLL、IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF等元件位于Xilinx公司 FPGA專(zhuān)用器件庫(kù)UNISIM中，在編寫(xiě)VHDL程序時(shí)，用COMPONENT和PORT MAP指令調(diào)用專(zhuān)門(mén)的模塊，就可以在程序中導(dǎo)入所需元件。(2) 作為非對(duì)稱同步FIFO，用波形圖的方式進(jìn)行仿真不太合適，可用VHDL建立測(cè)試平臺(tái)的方式進(jìn)行仿真，測(cè)試平臺(tái)中把非對(duì)稱同步FIFO主程序作為一個(gè)元件調(diào)用，主要包括初始化、時(shí)鐘產(chǎn)生塊、讀寫(xiě)數(shù)據(jù)等內(nèi)容，輸入激勵(lì)由測(cè)試平臺(tái)產(chǎn)生。(3)由于Spartan II FPGA中BlockRAM單位容量和總體容量有限，如XC2S100中BlockRAM的單位容量為4Kbit，共10個(gè), 則總體容量為40Kbit。設(shè)計(jì)時(shí)可以用多個(gè)BlockRAM組成不同深度和寬度的存儲(chǔ)單元，如果容量還是不夠則需要選用其它型號(hào)的FPGA。 </p>

結(jié)語(yǔ) 

采用本文的設(shè)計(jì)思路，同樣可以設(shè)計(jì)出Win&gt;Wout情形下的非對(duì)稱同步FIFO，而且該方案具有很強(qiáng)的靈活性并易于實(shí)現(xiàn)。如通信只需單向進(jìn)行，則只用一片F(xiàn)PGA即可；雙向通信時(shí)需用兩片FPGA。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該方案可以滿足一般需要.