基于SRAM和DRAM結(jié)構(gòu)的大容量FIFO的設(shè)計

1 引言
FIFO(First In First Out)是一種具有先進(jìn)先出存儲功能的部件，在高速數(shù)字系統(tǒng)當(dāng)中通常用作數(shù)據(jù)緩存。在高速數(shù)據(jù)采集、傳輸和實時顯示控制領(lǐng)域中，往往需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速存儲和讀取，而這種先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)特點很好地適應(yīng)了這些要求，是傳統(tǒng)RAM無法達(dá)到的。
許多系統(tǒng)都需要大容量FIFO作為緩存，但是由于成本和容量限制，常采用多個FIFO芯片級聯(lián)擴(kuò)展，這往往導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。本文分別針對Hynix公司的兩款SRAM和DRAM器件，介紹了使用CPLD進(jìn)行接口連接和編程控制，來構(gòu)成低成本、大容量、高速度FIFO的方法。該方法具有通用性，可以方便地移植到與其他RAM器件相連的應(yīng)用中去。

2 基于SRAM的設(shè)計與實現(xiàn)
2.1 SRAM結(jié)構(gòu)芯片HY64UDl6322A
靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器SRAM(Static Random Access Memory)是一種非常重要的易失性存儲器，它的速度非?？欤⑶夷茉诳焖僮x取和刷新時保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。本系統(tǒng)SRAM器件采用Hynix公司的HY64UDl6322A。HY64UDl6322A是高速、超低功耗32Mbit SRAM，內(nèi)部具有2 097 152個16 bit字容量。采用了CMOS制造工藝、TTL電平接口以及三態(tài)輸出，具有較大的輸入電壓和溫度范圍。同時HY64UDl6322A支持DPD(Deep Power Down)模式，保證其在待機(jī)模式下功耗進(jìn)一步降低。
2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
整個系統(tǒng)采用CPLD作為控制核心器件。CPLD選用Altera公司的MAX7128AETCl00-5。MAX7128基于Altera公司第二代MAX乘積項結(jié)構(gòu)，是采用CMOS EEPROM技術(shù)制造的EPLD，它集成了2 500個可用門，128個宏單元以及100個I/0引腳。
圖1是HY64UDl6322A內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與CPLD接口設(shè)計的系統(tǒng)連接圖?？梢钥闯?，HY64UDl6322A由地址譯碼、邏輯控制模塊以及大容量存儲陣列組成。CPLD接收到FIFO控制信號，按照該SRAM讀寫時序要求完成相應(yīng)的讀寫操作，再通過所構(gòu)造FIFO的數(shù)據(jù)輸入輸出和狀態(tài)控制接口返回。

2.3 指針?biāo)惴ǔ绦蛟O(shè)計
系統(tǒng)采用CPLD作為總控制器件。根據(jù)FIFO的特點，需要將SRAM按地址存儲用程序控制成先進(jìn)先出的結(jié)構(gòu)。這里采用指針?biāo)惴▉韺崿F(xiàn)這種結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)置兩個指針變量StartPos和EndPos，分別作為進(jìn)入數(shù)據(jù)頭尾指針。當(dāng)有新數(shù)據(jù)寫入時，數(shù)據(jù)從上一次存儲最后位置的下一個位置開始存放，存入一個數(shù)據(jù)，EndPos就自動加1，保持與最后數(shù)據(jù)位置同步。當(dāng)EndPos超過整個RAM的最大容量(RAM_SIZE)時，就需要循環(huán)返回，從0x000位置存放，一直到EndPos與StartPos重合，這時可以認(rèn)為RAM已經(jīng)存滿。同理，讀出數(shù)據(jù)時，起始位置StartPos自動加1。當(dāng)StartPos超過整個RAM的最大容量時，就從0x000位置讀取，一直到StartPos與EndPos重合，這時可以認(rèn)為RAM已經(jīng)讀空。在這兩個過程當(dāng)中，CPLD需要對地址線進(jìn)行控制，不難發(fā)現(xiàn)，寫數(shù)據(jù)的時候Address與EndPos一致，讀數(shù)據(jù)的時候Address與StartPos一致。圖2是整個系統(tǒng)寫和讀時序控制的流程圖。

2.4 時序控制
寫入數(shù)據(jù)的時候，CPLD需要模擬FIFO基本的寫操作時序：CPLD接收到nWEN(寫使能，低有效)和WCLK(寫時鐘，上升沿有效)，即當(dāng)nWEN為低，WCLK為上升沿時，將當(dāng)前I/O上的數(shù)據(jù)寫入。在數(shù)據(jù)寫入RAM的時候，CPLD應(yīng)按照HY64UDl6322A的寫時序來控制寫操作。這里，CPLD首先按照上述流程計算出當(dāng)前數(shù)據(jù)應(yīng)存放的地址，然后控制nWE信號，nWE為低時，數(shù)據(jù)自動寫入RAM。然后再寫下一位數(shù)據(jù)。整個寫時序如圖3所示。

同理，CPUD接收到nREN(讀使能，低有效)和RLCK(讀時鐘，上升沿有效)時，將最先寫入的數(shù)據(jù)讀出。這里，CPLD首先按照讀數(shù)據(jù)流程計算出當(dāng)前讀出數(shù)據(jù)存放地址，然后控制nOE信號(低電平有效)，數(shù)據(jù)自動讀出RAM。然后再進(jìn)行下一位數(shù)據(jù)讀
出操作。
可以看出，影響所構(gòu)建FIFO讀寫速度的關(guān)鍵因素是tWC，該參數(shù)也是決定HY64UDl6322A速度的主要因素，因此，所構(gòu)建FI-F0的理論速率應(yīng)該接近HY64UDl6322A的速率。

3 基于DRAM的設(shè)計與實現(xiàn)
3.1 DRAM結(jié)構(gòu)芯片HY57V281620E
一般來說，動態(tài)隨機(jī)存取存儲器DRAM(Dynamic Random Access Memory)是由大的矩形存儲單元陣列與用來對陣列讀和寫的支持性邏輯電路，以及維持存儲數(shù)據(jù)完整性的刷新電路組成。盡管操作較SRAM復(fù)雜，但由于DRAM具有每存儲位單元低成本和高密度的優(yōu)點，使得它們成為商業(yè)領(lǐng)域最廣泛使用的半導(dǎo)體存儲器。本系統(tǒng)的DRAM芯片采用Hynix公司的134 217 728 bit同步DHY57V281620E。它由4塊2 097 152x16 bit組成。采用了CMOS制造工藝，LVTTL電平接口。
3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
同樣采用MAX7128AETCl00-5完成系統(tǒng)控制。圖4是HY57V281620E內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及與CPLD接口的系統(tǒng)連接圖。接口控制原理類似2.2所述。不同的是，HY57V281620E內(nèi)部由行列地址譯碼、多塊大容量存儲單元陣列和一些邏輯控制模塊組成。

3.3 程序設(shè)計
這里，主要采用2.3中設(shè)立頭尾兩個指針的思想。與SRAM不同的是，DRAM采用的矩形存儲單元陣列是由行線和列線來控制，并且內(nèi)部采用分塊結(jié)構(gòu)，這里HY57V281620E由4塊存儲單元組成，通過BAl和BA0來控制。在寫數(shù)據(jù)操作的時候，當(dāng)存放數(shù)據(jù)長度超過當(dāng)前存儲單元容量時，需要CPLD切換至下一存儲塊進(jìn)行存儲，同樣，讀操作的時候也存在這種操作，即如果StartPos或者EndPos超過了存儲塊容量，這里是2 097 152，則通過一個模4計數(shù)器控制切換至下一個存儲塊。
3.4 時序控制
寫入(或讀出)數(shù)據(jù)的時候，CPLD需要模擬FI-FO基本的寫(或讀)操作時序：CPLD接收到nWEN(nREN)和WCLK(RCLK)，即當(dāng)nWEN(nREN)為低，WCLK(RCLK)為上升沿時，將當(dāng)前I/O上的數(shù)據(jù)寫入(讀出)。在數(shù)據(jù)寫入(讀出)RAM的時候，CPLD應(yīng)按照HY57V281620E器件的寫(讀)時序來控制寫(讀)操作：CPLD首先控制nRAS從高電平變至低電平，選擇行地址。再通過控制nCAS選擇列地址。這里，當(dāng)寫入(或讀出)數(shù)據(jù)在同一塊當(dāng)中進(jìn)行，可以保持nRAS低電平，連續(xù)選擇多列數(shù)據(jù)操作(也稱作快頁模式讀寫)。當(dāng)數(shù)據(jù)地址超過塊容量，則需要重新選擇行地址，然后再進(jìn)行連續(xù)多列數(shù)據(jù)讀寫操作。讀寫使能控制和SRAM類似，通過nOE和nWE(低有效)來控制。
圖5是DRAM主要讀寫控制時序。可以看出，影響所構(gòu)建FIFO讀寫速度的主要因素是tPC，這也是決定DRAM速率的關(guān)鍵所在，因此，所構(gòu)建FIF0的理論速度也應(yīng)該接近DRAM最高頻率。同時，還必須考慮DRAM的刷新操作。這里，系統(tǒng)采用nCAS先于nRAS的方式(CBR)，即控制nCS、nCAS、nRAS，并保持nWE為高電平，利用芯片內(nèi)部計數(shù)器決定要被刷新的行。HY57V281620E提供了這種自刷新模式，刷新速率由tREF來決定，通常為64 ms。在系統(tǒng)或某存儲塊長時間無操作的情況下，需要定時刷新，以保持?jǐn)?shù)據(jù)完整。

4 實驗結(jié)果和分析
圖6是用QuartusⅡ4.O根據(jù)2.3中設(shè)立的頭尾指針?biāo)惴ㄔO(shè)計仿真出來的時序波形。

可以看出，系統(tǒng)從0x000底開始寫數(shù)據(jù)，當(dāng)寫入3個數(shù)據(jù)時，EndPos增加到Ox003，再進(jìn)行3個數(shù)據(jù)讀操作，即StartPos增加到0x003，此時，所構(gòu)建的FIFO是讀空狀態(tài)，可以看到讀空信號Empty在這時變?yōu)楦唠娖剑_(dá)到FIFO設(shè)計所需要求。
還需要注意：由于所采用的RAM只采用一個數(shù)據(jù)總線作為輸入輸出，因此在寫數(shù)據(jù)的時候不能進(jìn)行讀操作。而常用FIFO器件可以同時讀寫。所以，如果要在同一時間內(nèi)進(jìn)行讀和寫操作，那么需要在一個FIFO讀寫時鐘周期內(nèi)對RAM進(jìn)行讀寫等多個操作，這時所構(gòu)建的FIFO速率將降低。
此外，在與DRAM構(gòu)建高速FIFO時，由于存儲塊選擇需要一定時間操作，因此跨塊存儲操作在頻率較高時會影響正常的數(shù)據(jù)讀寫，出現(xiàn)個別數(shù)據(jù)丟失情況。而且當(dāng)某段時間進(jìn)行刷新操作時，有突發(fā)數(shù)據(jù)需要讀或?qū)?，這時不允許中斷。解決這種問題的辦法是用一個I/O引腳(nREADY)標(biāo)識出當(dāng)前所構(gòu)建的FIFO是否可讀寫，如果有上述情況發(fā)生，則nREADY為高，可以讀寫時為低。
常用的FIFO器件還有半滿、接近滿、接近空等狀態(tài)指示，可以在上述構(gòu)建FIFO的基礎(chǔ)上加上簡單的邏輯控制，計算StartPos和EndPos之間的差值，根據(jù)當(dāng)前是寫操作還是讀操作來指示。其他狀態(tài)信號也可以通過CPLD經(jīng)由邏輯運(yùn)算很方便地實現(xiàn)。同時，讀和寫同步時鐘可以不一致，這樣就可以很方便地構(gòu)成同步或者異步兩種FIFO，具有很好的可擴(kuò)展性。

5 結(jié)束語
現(xiàn)在，SRAM的數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到10 ns以內(nèi)，DRAM要比SRAM稍慢一些。因此，SRAM通常用于高速緩沖存儲，而DRAM則通常用來存儲較大的數(shù)據(jù)。從成本來考慮，DRAM比SRAM成本要低得多。
采用本文給出的結(jié)構(gòu)和設(shè)計思想，避免了以往主CPU接管RAM時的一系列復(fù)雜讀寫操作，而直接類似FIFO使用，接口簡單方便，而且避開了傳統(tǒng)FIFO器件容量和成本的限制。本文通過理論分析，實際電路設(shè)計調(diào)試，已成功實現(xiàn)用兩種不同結(jié)構(gòu)的RAM構(gòu)建FIF0，并應(yīng)用于多個實時高速信號采集系統(tǒng)中。