利用FPGA實現雙口RAM的設計及應用

概述：為了在高速采集時不丟失數據，在數據采集系統和CPU之間設置一個數據暫存區。介紹雙口RAM的存儲原理及其在數字系統中的應用。采用FPGA技術構造雙口RAM，實現高速信號采集系統中的海量數據存儲和時鐘匹配。功能仿真驗證該設計的正確性，該設計能減小電路設計的復雜性，增強設計的靈活性和資源的可配置性能．降低設計成本，縮短開發周期。

　　隨著電子技術的飛速發展，大量的高速數據采集和在線測試對現代工業測控系統和儀器儀表的功能和性能提更高要求。CPU并行工作(雙單片機系統)方式得到廣泛應用。為了使2個單片機能夠快速有效交換信息，充分利用系統資源，采用雙口RAM實現存儲器共享是目前較為流行的方法。

　　大容量、高速FPGA器件具有集成度高、體積小、靈活可重配置、實驗風險小等優點，在復雜數字系統中得到越來越廣泛的應用。數字電路設計采用l片FPGA器件、存儲設備和一些電氣接口匹配電路的解決方案已成為主流選擇方案。用FPGA來實現雙口RAM的功能可以很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性使得基于FPGA的雙口RAM易于進行修改、測試及系統升級，可降低設計成本，縮短開發周期。

　　1 雙口RAM簡介

　　雙口RAM是在1個SRAM存儲器上具有兩套完全獨立的數據線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統同時對其進行隨機性訪問的存儲器，即共享式多端口存儲器。雙口RAM最大的特點是存儲數據共享。1個存儲器配備兩套獨立的地址、數據和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因為數據共享。則必須具有訪問仲裁控制。內部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數據塊的訪問權限分配：信令交換邏輯(例如中斷信號)等。雙口RAM可用于提高RAM的吞吐率，適用于實時數據緩存。

　　CY7C006A是Cypress公司生產的16 kb×8高速雙口靜態RAM，存取速度小于20 ns。該器件具有真正的雙端口，可以同時進行數據存取，兩個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數據線，另外通過主／從選擇可以方便地擴存儲容量和數據寬度。通過器件的信號量標志器，左、右兩端口可以實現器件資源共享。

　　2 雙口RAM在FPGA中的實現

　　本設計采用自頂而下的設計思想。選用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，基于低功耗45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術，提供高級功耗管理技術，150 000個邏輯單元，集成式PCI Express模塊，高級存儲器支持。250 MHz DSPslice和3．125 Gb／s低功耗收發器。通過Verilog HDL語言對雙口RAM功能的描述就能在一片FPGA器件內實現8位16字節的雙口RAM，并進行讀寫操作控制。雙口RAM讀寫操作控制Verilog HDL代碼如下：

　　圖l是雙口RAM的Verilog HDL代碼在Xilinx ISE中綜合后的寄存器傳輸級電路圖。

　　功能仿真的是Xilinx公司已經建立自己的編譯庫的Modelsim XEⅢ6．2c軟件，仿真結果如圖2所示，滿足設計要求。

　　經Xilinx ISE軟件綜合實現設計，生成可下載的比特流，將其下載到FPGA中，實現雙口RAM的功能。FPGA器件內部具有豐富的資源，可以在實現雙口RAM基本功能的基礎上。滿足系統設計的其他需求，且靈活可配置。

　　3 基于FPGA的雙口RAM應用

　　雙口RAM在數字系統中應用廣泛。高速數據采集系統中，一般的數據傳輸系統在大數據量情況下會造成數據堵塞現象。在一些實時控制場合，實時算法經常需要由幾個DSP串行或并行工作以提高系統的運行速度和實時性。以雙口RAM構成的數據接口可以在兩個處理器之間進行高速可靠的信息傳輸。此外，雙口RAM可以應用在智能總線適配卡、網絡適配卡中作為高速數據傳輸的接口。在許多寬帶信號處理領域(如無線通信、多媒體系統、衛星通信、雷達系統等)，FPGA技術已代替DSP實現許多前端的數字信號處理算法。用FPGA來實現數字信號處理能很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性，使得FPGA構成的數字信號處理系統易于修改、測試及系統升級，降低設計成本，縮短開發周期。任何一種自動控制系統都離不開數據采集系統，數據采集系統的質量直接影響整體系統的工作性能。數據采集系統高速、實時發展趨勢，對數據的傳輸和控制速度提出較高要求。而采用雙口RAM可有效提高速度，解決速度匹配問題。

　　設計l塊數據采集系統板，用FPGA實現雙口RAM功能，并且控制A／D采樣與轉換，以及數據寫入雙口RAM。利用單片機控制雙口RAM的存取，構成一個獨立的數據采集系統，并可以通過串行接口把數據發送給PC機。圖3為其系統結構框圖。

　　首先，時鐘產生啟動信號，FPGA向采樣開關發出選通信號，選定模擬開關采樣，第0路模擬量進入，經A／D轉換后變為8位數字量并存儲于雙口RAM中，ADC0809反饋給FPGA內控制電路并告知轉換完畢，FPGA內控制電路再選通第1路模擬量進入，重復上述過程。經過0．1 ms后，時鐘又產生一個脈沖啟動信號。FPGA又重新從第O路模擬量選通。

　　在時鐘脈沖信號0．1 ms過程中，FPGA順序通過0～7路模擬開關，在每次選通時須判斷是否為第7路模擬量，若是則FPGA不再響應A／D反饋信號，而是等待0．1ms的時鐘脈沖信號到達再重新開始工作。單片機用于與外部PC機通信，PC機查詢是否在雙端口RAM中有新數據，并經接口電路讀人數據。其中雙口RAM具有2組獨立的數據、地址和控制總線，可對任何一個端口進行獨立的操作。若未采用雙口RAM，FPGA采取中斷方式對CPU傳輸數據時，CPU就會停止當前工作而去處理外部請求，當處理完外部事件后再回到原來被中止處，繼續原來的工作，這樣會影響CPU的速度。因此引入雙口RAM存儲FPGA傳送來的數據，然后CPU再從雙口RAM中讀數，從而提高效率。本數據采集系統采用基于FPGA雙口RAM、單片機等實現數據運行處理和控制功能，使系統的通信和處理能力大大加強，保證了系統的實時性，可以靈活地通過多種方式控制數據讀寫。

　　4 結束語

　　本文充分利用FPGA內部豐富的硬件資源和Verilog HDL語言的靈活性，在FPGA內實現了雙口RAM的基本功能，并通過設計一塊數據采集板介紹基于FPGA技術的雙口RAM的應用，該系統減小了設計電路的復雜性，增強了設計的靈活性和資源的可配置性。整個系統分工明確，構成合理，具有一定的應用價值。