用CPLD和外部SRAM構(gòu)成大容量FIFO的設(shè)計

隨著數(shù)字電視技術(shù)的進一步成熟，在視頻服務(wù)器方面，利用支持軟件豐富、運算速度不斷提高、具有較高性能價格比的微機來代替昂貴的專用設(shè)備實現(xiàn)數(shù)字視頻碼流的復(fù)用具有一定的實際意義，但是一般的桌面操作系統(tǒng)定時不夠精確、處理大量并發(fā)任務(wù)效率不高以及突發(fā)傳送等問題影響了復(fù)用后碼流的質(zhì)量，為了保證復(fù)用后的碼流可以均勻平滑地傳送到調(diào)制器，還考慮到微機的工作效率，就需要用FIFO來進行碼流的緩沖。如果FIFO的容量足夠大，微機就可以通過DMA方式一次發(fā)送大量的數(shù)據(jù)，最后再經(jīng)過FIFO的緩沖，按照預(yù)設(shè)頻率均勻送出。
在其它許多實際應(yīng)用中，也會利用到FIFO來完成數(shù)據(jù)流的緩沖，消除突發(fā)傳送帶來的數(shù)據(jù)抖動，達到平滑輸出的效果。FIFO的容量和速度直接影響到緩沖的效果，但是目前大容量FIFO價格昂貴，這就影響到了FIFO的進一步實際應(yīng)用。本文介紹了一種利用外部SRAM和CPLD構(gòu)成的廉價、高速、大容量先進先出緩沖器FIFO的設(shè)計方法。
一、系統(tǒng)的設(shè)計思路
為了用外部SRAM來實現(xiàn)FIFO，要解決以下問題：
§ 區(qū)分同時到達的讀寫信號，并且產(chǎn)生間隔的對外部SRAM的讀寫信號
§ 在SRAM順序?qū)ぶ返幕A(chǔ)上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的先進先出
§ 全空、全滿、半空、半滿狀態(tài)的判定
§ 盡量降低對器件速度的要求
二、設(shè)計方法
同步設(shè)計
在系統(tǒng)中地址產(chǎn)生、比較器結(jié)果輸出、FIFO各種狀態(tài)的輸出都采用同步觸發(fā)方式，全部按照系統(tǒng)時鐘統(tǒng)一進行，這能在很大程度上消除異步方式引起的邏輯狀態(tài)變化時間的不確定和毛刺的產(chǎn)生，但也沒必要在所有的地方都強求按同步設(shè)計，只要能符合時序要求，異步方式也可以，目的是盡量減少設(shè)計的復(fù)雜度和占用的資源。
原理圖輸入
設(shè)計在Altera公司的MAX+plus II V9.6軟件下編譯仿真。在系統(tǒng)的整體設(shè)計中采用原理圖的方式，可以方便地進行時序控制和仿真。
三、具體信號的產(chǎn)生及時序分析
信號分析的具體條件
以下的設(shè)計都是在CPLD為EPM7128SQC100-6，SRAM為IDT71128-12的條件下進行，對FIFO的最高要求為雙向同時讀寫，時鐘RCLK和WCLK為10MHz，脈沖寬度為50ns，系統(tǒng)時鐘CLK為50MHz，脈沖寬度為10ns。對于較低速度的讀寫，50MHz的系統(tǒng)時鐘也可以適應(yīng)，如果外部要求降低，也可按照與RCLK、WCLK的等比例換用較低的系統(tǒng)時鐘。外部數(shù)據(jù)是在上升沿有效，F(xiàn)IFO的輸出也是上升沿有效。
基本信號的產(chǎn)生以及時序圖
系統(tǒng)采用獨立的系統(tǒng)時鐘CLK。為區(qū)分同時到達的外部讀寫信號，內(nèi)部產(chǎn)生的讀寫信號分別用系統(tǒng)時鐘的上升沿和下降沿觸發(fā)，同時讓產(chǎn)生的內(nèi)部讀寫信號互斥，以得到間隔的對外部SRAM的讀寫信號；考慮到實際的需要以及器件和內(nèi)部時鐘的速度，按照四個脈沖寬度的方式產(chǎn)生讀寫信號，以保證在最小10個脈沖時間內(nèi)各有一次有效讀寫。
外部讀寫時鐘RCLK、WCLK先經(jīng)過各自的使能控制信號REN、WEN進入CPLD；為保證讀寫互斥，外部讀寫異步鎖存之后，讀信號鎖存后面的第一個上升沿，寫信號鎖存后面的第一個下降沿，并且用各自的前三個脈沖控制對方鎖存第一個脈沖。
通過對各種情況的分析，基本讀寫脈沖OE和MW之間的最小間隔是一個脈沖，在有連續(xù)兩個外部讀或?qū)懙那闆r下所產(chǎn)生的兩個OE或MW之間的最小間隔是兩個脈沖。
基本信號產(chǎn)生的原理圖和時序圖如下：



圖1 基本信號的產(chǎn)生

圖2 基本信號的時序
讀寫地址信號
讀寫各有一個地址指針，每讀出一個數(shù)讀地址加一，讀指針就指向下一個最早寫入的數(shù)，經(jīng)過SRAM陣列的最高地址后，又從起始地址開始，這樣就可以達到先進先出的效果；只有有效的讀寫脈沖才能觸發(fā)地址計數(shù)器；為使整個系統(tǒng)的動作時間一致，采用同步設(shè)計，讀寫都統(tǒng)一選擇上升沿觸發(fā)計數(shù)器變化；地址改變先于后面的/WE、/OE脈沖的產(chǎn)生。
地址發(fā)生器采用計數(shù)器宏單元。FIFO容量的大小由計數(shù)器決定，簡單地增加計數(shù)器的位數(shù)和SRAM的數(shù)量，就可以擴大FIFO的容量。讀寫地址產(chǎn)生之后，經(jīng)過一個總線復(fù)用器后輸出作為對外部SRAM讀寫的地址線；總線復(fù)用器的選擇由MW信號控制，只有在MW有效的時候才輸出為寫地址，其它時間都是讀地址。
讀寫地址在由計數(shù)器產(chǎn)生經(jīng)過總線復(fù)用時，會產(chǎn)生靜態(tài)冒險；對于讀寫地址比較器，因為它鎖存的時刻距離地址變化后兩個脈沖，而且比較器輸入的地址不經(jīng)過總線復(fù)用，這就可以保證在比較器鎖存的時刻地址比較結(jié)果已經(jīng)穩(wěn)定而且不受靜態(tài)冒險的影響；對于到SRAM的讀寫地址，在讀寫控制脈沖/OE、/WE有效前還有兩個脈沖的時間穩(wěn)定，不會因為地址不穩(wěn)定產(chǎn)生錯誤操作。
讀寫地址相等時比較器輸出相等標志EF，F(xiàn)IFO半滿，即除去最高位以外的地址都相等的情況輸出半滿標志EHF。


圖3 讀寫地址信號的產(chǎn)生
FIFO狀態(tài)信號
1、小于半滿LHFULL
在上電或復(fù)位之后，LHFULL立刻有效。利用另一個觸發(fā)器上電或者復(fù)位的清零，置位LHFULL觸發(fā)器，使其有效，但在第一個寫之后這個觸發(fā)器就不再對LHFULL的變化有影響。在讀寫地址比較器輸出半滿的時候再來一個讀，就判定為小于半滿LHFULL。從大于半滿到小于半滿，需要經(jīng)過兩個連續(xù)的讀，第一個讀使比較器得到半滿結(jié)果，第二個讀使LHFULL有效。當經(jīng)過一個寫從小于半滿到半滿時，在讀寫地址比較器輸出半滿使LHFULL觸發(fā)器狀態(tài)可以變化后的下一個上升沿清除LHFULL觸發(fā)器。觸發(fā)器的使能端選為EHF，保證狀態(tài)信號只在半滿的時候才發(fā)生變化。
2、大于半滿GHFULL
半滿的時候再來一個寫，GHFULL置位為高有效。GHFULL的設(shè)計原理同LHFULL，且不需要上電復(fù)位置位的處理。

圖4 LHFULL和GHFULL的產(chǎn)生
3、全滿FULL
當比較器輸出結(jié)果為讀寫地址相等時，如果此時執(zhí)行的操作是寫，即在一個寫之后讀寫地址才相等，就判定為全滿，置FULL為有效。在全滿狀態(tài)下，如果有一個讀，F(xiàn)ULL就被清零。
1、 全空EMPTY
在上電或復(fù)位之后，EMPTY立刻有效。利用另一個觸發(fā)器上電或者復(fù)位的清零，置位EMPTY觸發(fā)器，使其有效，但在第一個寫之后這個觸發(fā)器就不再對EMPTY的變化有影響。當比較器輸出結(jié)果為讀寫地址相等時，如果此時執(zhí)行的操作是讀，即在一個讀之后讀寫地址相等，就判定為全空，置EMPTY有效。全空狀態(tài)下，如果有一個寫，EMPTY就被清零。

圖5 FULL和EMPTY的產(chǎn)生
復(fù)位信號
只要RST信號為低就會產(chǎn)生有效的復(fù)位，讀寫的地址計數(shù)器都被清零，全滿、大于半滿狀態(tài)清除，全空和小于半滿置位，F(xiàn)IFO鎖存輸出為零。
與外部SRAM的連接及對SRAM的讀寫定時分析
CPLD與SRAM之間除去讀寫復(fù)用的地址和數(shù)據(jù)線以外，還需要有輸出使能信號/OE，讀寫信號/WE，片選信號/CS。地址線、數(shù)據(jù)線、/OE和/WE如前所述；片選信號由地址高位譯碼產(chǎn)生，在這里是把最高位取反，得到兩個片選信號。
讀寫信號的時序符合設(shè)計采用的IDT71128-12 SRAM的定時要求。
寫操作：
寫周期最小12ns，地址有效到結(jié)束寫最小10ns，片選到寫結(jié)束最小10ns，寫脈沖最小10ns，數(shù)據(jù)有效到寫結(jié)束最小7ns。地址在/WE之前建立，在/WE結(jié)束之后變化；數(shù)據(jù)保持到/WE無效再變化；在地址變化時，/WE、/CS不能都有效；在有效的寫時，/CS、/WE為低；
讀操作：
地址尋址時間最大12ns，讀周期最小12ns，片選尋址時間最大12ns，輸出使能到數(shù)據(jù)輸出有效最大6ns。在讀周期/WE為高，/OE為低，讀周期結(jié)束時地址和數(shù)據(jù)應(yīng)該保持不變。
寫地址與MW脈沖的上升沿同時變化，在兩個脈沖之后，寫地址能夠穩(wěn)定，這時/WE才有效，并且由于連續(xù)兩個讀寫脈沖之間最少有一個脈沖的間隔，而且MW比EW4要有延遲，同時總線選擇也是由MW決定，就保證了寫地址在/WE前有效并能保持到/WE結(jié)束；寫數(shù)據(jù)的三態(tài)緩沖由EW4打開，可以保持到/WE結(jié)束。
讀地址在上一個寫結(jié)束之后有效，由于讀地址變化比OE脈沖晚一個脈沖，/OE在OE結(jié)束時開始，保證了/OE開始的時候讀地址已穩(wěn)定和讀周期時間符合要求；寫數(shù)據(jù)已由EW4關(guān)閉，由于讀寫之間的最小間隔，且控制SRAM數(shù)據(jù)輸出的/OE是ER5的反向，從SRAM中讀出的數(shù)據(jù)在鎖存入CPLD之后，滿足保持時間的要求。
對外部SRAM數(shù)據(jù)的讀寫，見后圖7、8。
四、為提高可靠性和滿足些特殊需要做的處理
讀寫特殊時刻地址的產(chǎn)生
FIFO狀態(tài)為全空的時候，再有一個讀脈沖讀地址會繼續(xù)增加，由于此時內(nèi)部已經(jīng)沒有有效數(shù)據(jù)，以后讀出的數(shù)據(jù)就不正確，因此必須在全空以后禁止讀地址的增加，同時置位VALID信號為無效。讀地址計數(shù)器的使能端由EMPTY和ER1共同控制，在EMPTY的時候，讀地址觸發(fā)無效。
FIFO狀態(tài)為全滿時，再有一個寫脈沖，由于已經(jīng)達到全滿的狀態(tài)，此時的寫操作就會把下一個地址的未讀出的數(shù)據(jù)修改，以后再按照此讀地址讀出的就是錯誤的數(shù)據(jù)；因此在出現(xiàn)全滿的情況下，一方面通過外部FULL標志指示，另外如果有寫操作，則讀地址也同樣增加，這樣可以保證，以后的讀操作讀出的數(shù)據(jù)是沒經(jīng)過修改的有效數(shù)據(jù)。在EW1和FULL同時有效的時候，讓讀地址計數(shù)器的使能端有效，也同時計數(shù)。

圖6 特殊時刻對讀地址的控制
數(shù)據(jù)寫入SRAM
外部數(shù)據(jù)經(jīng)過異步鎖存，先寫入CPLD內(nèi)的寄存器，然后再由/WE寫入SRAM；可能會遇到最大的延遲使上一個外部寫所產(chǎn)生的/WE的最后鎖存時刻上升沿位于下一個外部寫脈沖之內(nèi)，對SRAM來講，在/WE上升沿鎖存時刻數(shù)據(jù)就不能保持不變。因此，在每次從外部寫入CPLD內(nèi)寄存器時，先在有效的MW脈沖之內(nèi)鎖存一次，具體設(shè)計中選在EW2脈沖對應(yīng)的下降沿。同時，因為對SRAM寫入和讀出的兩個數(shù)據(jù)總線都要連接到相同的SRAM的I/O數(shù)據(jù)線上，為了區(qū)分，在寫入數(shù)據(jù)的輸出端加上三態(tài)緩沖，使能端由EW4控制，即/WE的反向。

圖7 外部數(shù)據(jù)寫入SRAM
從SRAM中讀出數(shù)據(jù)的鎖存輸出
按照/OE產(chǎn)生之后，從外部SRAM讀出數(shù)據(jù)直接鎖存輸出的結(jié)果來看，由于時序的變化，鎖存輸出數(shù)據(jù)的時間長度不一致，必須把鎖存的數(shù)據(jù)再鎖存一次以與外部讀時鐘RCLK的上升沿配合。
通過分析得到：即使是在最滯后的情況下，由上一個讀RCLK從SRAM中讀出的數(shù)據(jù)D[7..0]的鎖存也會發(fā)生在下一個RCLK所包含的系統(tǒng)時鐘的第三個脈沖之前；最快也在當前RCLK所包含的第六個CLK脈沖之后。因此最后輸出的鎖存時刻選在這兩個時間之內(nèi)，以保證最后鎖存輸出的一定是上一個RCLK讀出的數(shù)據(jù)。


圖8 讀出數(shù)據(jù)的鎖存輸出
有效VALID信號的產(chǎn)生及作用
VALID信號是為緩沖碼流的目的專門設(shè)計的。一般的MPEG2接口信號由D[7..0]、CLK、SYNC、VAL、ERR組成。ERR、SYNC可以不用，CLK采用讀時鐘RCKL，數(shù)據(jù)有效VALID需要合成出來，標志FIFO當前不處于全空狀態(tài)，按照RCLK時鐘讀出的是有效數(shù)據(jù)。
設(shè)計要做到：在全空的情況下，最后一個有效數(shù)據(jù)鎖存輸出的時候VALID仍有效；全空信號無效情況下，有效數(shù)據(jù)出現(xiàn)之后才能有VALID信號。VALID信號的設(shè)計與讀出數(shù)據(jù)的鎖存輸出密切相關(guān)；根據(jù)現(xiàn)在的設(shè)計，鎖存輸出的數(shù)據(jù)一定是前一個外部讀時鐘讀出的數(shù)據(jù)，所以選在EMPTY置位以后，再經(jīng)過一個RCLK的上升沿VALID才能被清除；在EMPTY被清除之后，再經(jīng)過一個有效的/OE和一次讀輸出數(shù)據(jù)鎖存后VALID才能置位。

圖9 VALID信號的產(chǎn)生
五、設(shè)計結(jié)果及進一步的改進
根據(jù)本設(shè)計的所做的實際硬件電路，在實驗室測試時，一端用碼流發(fā)生器送入數(shù)據(jù)，另一端用與輸入相同的時鐘讀出數(shù)據(jù)送到解碼器解碼，在現(xiàn)有的CPLD和SRAM的條件下（EPM7128SQC100-6，IDT71128-12），可以達到雙向10MBps的讀寫。
所設(shè)計的FIFO可作為同步或者異步FIFO；通過增加系統(tǒng)資源、改變讀寫地址比較器的設(shè)計可以按照需要設(shè)計出將近FULL、EMPTY，HFULL等標志，偏差可以由外部置入，能夠進一步增加FIFO狀態(tài)控制的靈活性。
參考文獻：
[1] MAX7000 Programmable Logic Device Family Data Sheet, July 1999, ALTERA
[2] IDT71128 CMOS Static SRAM Data Sheet, IDT
[3] IDT72201 CMOS SyncFIFO Data Sheet, IDT
[4] CPLD技術(shù)及其應(yīng)用， 宋萬杰、羅豐、吳順君，1999年9月，西安電子科技大學(xué)出版社
[5] FPGA原理及應(yīng)用設(shè)計，朱明程，1994年5月，電子工業(yè)出版社
作者簡介：
任三軍，1972年生，博士，主要研究方向為信號處理、數(shù)字視頻
呼文杰，1972年生，博士，主要研究方向為信號處理、數(shù)字視頻