采用FPGA與SRAM的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)

1 前言

　針對(duì)FPGA中內(nèi)部BlockRAM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,InterConnectResource)。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BlockRAM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：

　　3 IS61LV25616AL功能簡介

　　IS61LV25616AL是IntegratedSiliconSolution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：

　　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。[!--empirenews.page--]
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。

　　(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)。靠外部時(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。

　　對(duì)SRAM進(jìn)行讀操作相對(duì)較簡單，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。