基于FPGA的FIFO設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1 器件選擇
這里在視頻信號(hào)處理系統(tǒng)中，將利用FPGA作為橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM的控制，以達(dá)到大量高速存取數(shù)據(jù)的功能。之所以選取SDRAM，主要是因?yàn)樵诟鞣N隨機(jī)存取器件中，SDRAM的容量較大，價(jià)格較低，且數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸模式大大提高了存取速度，能夠滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。
FIFO的速度受到兩個(gè)因素的限制：
(1)SDRAM的最高工作頻率。SDRAM的工作頻率越高，數(shù)據(jù)的傳輸速率就越高；
(2)SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度。SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度越長(zhǎng)，對(duì)數(shù)據(jù)流的吞吐量就越大，可以從某種程度上提高數(shù)據(jù)的傳輸速率。
FIFO的大小由所選SDRAM芯片的容量來(lái)決定。該設(shè)計(jì)以采用MICRON公司的MT48LC4M3282(4 BANK×4M×32 b)為例，存儲(chǔ)容量為128 Mb，數(shù)據(jù)帶寬為32位，內(nèi)部由4個(gè)BANK組成，每個(gè)BANK有4 096行和256列。
MT48LC4M3282的控制信號(hào)有CLK(時(shí)鐘信號(hào))、CKE(時(shí)鐘使能)、CS(片選信號(hào))、WE(寫(xiě)使能)、CAS(列有效)、RAS(行有效)、DQM0～DQM3(輸入輸出使能)?？刂菩盘?hào)組成的常用控制命令如表1所示。

2 FIFO系統(tǒng)設(shè)計(jì)
FIFO系統(tǒng)由FGPA和SDRAM兩部分組成。其中，F(xiàn)GPA內(nèi)部包含F(xiàn)IFO監(jiān)控器、緩沖器、SDRAM控制器三個(gè)模塊。FIFO監(jiān)控器的作用是將FIFO的狀態(tài)轉(zhuǎn)變成狀態(tài)機(jī)的讀、寫(xiě)信號(hào)。若操作為向SDRAM寫(xiě)數(shù)據(jù)，則在FIFO已滿(mǎn)時(shí)，F(xiàn)IFO監(jiān)控器送出一個(gè)信號(hào)，以阻止寫(xiě)操作繼續(xù)向FIFO中寫(xiě)數(shù)據(jù)而造成溢出；若操作為向SDRAM讀數(shù)據(jù)，則在緩沖器已空時(shí)，F(xiàn)IFO監(jiān)控器送出一個(gè)信號(hào)，以阻止讀操作繼續(xù)從FIFO中讀數(shù)據(jù)而造成無(wú)效數(shù)據(jù)的讀出。FIFO的模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在該設(shè)計(jì)中，攝像頭采用640×480的屏幕分辨率，圖像深度為8，每秒為25幀，圖像數(shù)據(jù)量的大小為圖像中像素總數(shù)與圖像深度的乘積，由此可以得出每幀圖像的大小為2．457 Mb，每秒鐘視頻產(chǎn)生數(shù)據(jù)的大小為61．44 Mb。因?yàn)橄到y(tǒng)向SDRAM控制器寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)的速度比較低，約為62 MHz，FPGA的外接晶振CLK為27 MHz，FPGA和SDRAM的工作時(shí)鐘由鎖相環(huán)4倍頻后生成，即為108 MHz，所以SDRAM控制器向SDRAM寫(xiě)入和讀出數(shù)據(jù)的速率為108 MHz，因此二者屬于不同的時(shí)鐘域，需要用緩沖器作為輸入和輸出的緩存。
SDRAM控制器的模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中SDRAM控制器內(nèi)部包括：初始化模塊、模式寄存器、控制模塊和狀態(tài)機(jī)。SDRAM的接口設(shè)計(jì)是極其關(guān)鍵的，可根據(jù)SDRAM內(nèi)部操作狀態(tài)之間的聯(lián)系，通過(guò)狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)接口設(shè)計(jì)。初始化模塊負(fù)責(zé)SDRAM的初始化，在上電和時(shí)鐘穩(wěn)定后等待100 ms，至少執(zhí)行一條空操作，然后對(duì)所有頁(yè)執(zhí)行預(yù)充電操作，使所有頁(yè)處于空閑狀態(tài)，接著向各頁(yè)發(fā)出兩條刷新操作指令，最后發(fā)出一個(gè)模式寄存器裝載命令，使SDRAM有確定的狀態(tài)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。模式寄存器可根據(jù)要求對(duì)SDRAM的突發(fā)長(zhǎng)度、突發(fā)類(lèi)型、CAS延時(shí)的時(shí)鐘數(shù)、運(yùn)行模式和寫(xiě)突發(fā)模式進(jìn)行設(shè)置，確定SDRAM在讀寫(xiě)操作時(shí)的工作狀態(tài)。模式寄存器M0～M2用于規(guī)定突發(fā)長(zhǎng)度，可以為1，2，4，8。M3用于規(guī)定突發(fā)類(lèi)型，當(dāng)M3=0時(shí)，突發(fā)類(lèi)型是連續(xù)的；當(dāng)M3=1時(shí)，突發(fā)類(lèi)型是交錯(cuò)的。M4～M6用于規(guī)定CAS延遲的時(shí)鐘周期數(shù)，可以分為1，2，3。M7，M8用于規(guī)定運(yùn)行模式。M9用于規(guī)定寫(xiě)突發(fā)模式，當(dāng)M9=0時(shí)，按實(shí)際編程的突發(fā)長(zhǎng)度存??；當(dāng)M9=1時(shí)，按單個(gè)存取單元寫(xiě)入，但可按實(shí)際編程的突發(fā)長(zhǎng)度讀出。