FPGA设计的高速FIFO电路技术

本文主要介绍高速FIFO电路在数据采集系统中的应用，相关电路主要有高速A/D转换器、FPGA、SDRAM存储器等。图1为本方案的结构框图。在大容量高速采集系统项目的开发过程中，FPGA作为可编程逻辑器件，设计灵活、可操作性强，是高速数字电路设计的核心器件。由于FPGA内嵌存储器的容量有限，通常不能够满足实际设计电路的需求，需要外接SRAM、SDRAM、磁盘阵列等大容量存储设备。

A/D输出的数据流速度快，经过FPGA降速后，位数宽，速度仍然很高，不能直接存储到外部存储器。在设计时，要经过FIFO缓存，然后才能存储到外部存储器。本设计的FIFO容量小、功能强，充分利用了FPGA内部FIFO电路的特点，结合实际电路，优化了整个电路模型的设计。

　　异步FIFO生成

　　FIFO占用的内存资源为FPGA内嵌的block RAM，由Xilinx公司提供的ISE开发平台自动生成。读写时钟有通用时钟和独立时钟可选，我们采用独立时钟，rd_clk和wr_clk独立，为了保证在高速采集时数据不丢失，rd_clk频率不低于wr_clk。FIFO读模式采用标准FIFO，每次启动采集时都要对FIFO进行复位，为异步复位，初始化内部指针和输出寄存器。在FIFO生成过程中，我们启用almost_full 和almost_empty选项，以及prog_full 和prog_empty选项，prog_full和prog_empty要进行参数设置，具体设置参数如图2所示。

　　FIFO接口信号定义

　　根据FIFO的生成过程，在图3中给出了读写时钟域的信号定义，所有的在写时钟域的输入信号都必须经过写时钟同步，所有的在读时钟域的输入信号都要经过读时钟同步。信号经过时钟同步后，可以确保在读写过程中不会出现亚稳态，导致读写操作出现错误。

下面对读写时钟域定义信号给予说明：

　　rst:复位信号，高有效，异步复位，每次启动采集都要首先对FIFO进行复位;

　　wr_clk：写时钟;

　　wr_en：与写时钟同步;

　　din：输入数据总线;

　　rd_clk:读时钟;

　　dout：输出数据总线;

　　full：FIFO全满标志;

　　empty：FIFO全空标志;

　　almost_full：高有效，如果为高电平，在写一个数据FIFO将全满;

　　almost_empty：高有效，如果为高电平，在读一个数据FIFO将全空;

　　prog_full：可编程满标志，根据需要，可以设定FIFO内部有多少数据，该标志信号有效;

　　prog_empty：可编程空标志，根据需要，可以设定FIFO内部有多少数据，该标志信号有效;

　　wr_data_count：说明FIFO内部已经写了多少数据;

　　rd_data_count：说明FIFO内部有多少数据可以读。

　　FIFO控制电路设计

　　实际电路设计不考虑读写时钟的频率和相位的异同，读写时钟域的电路基于同步电路设计的理念来进行设计，在设计过程中，满足读时钟频率不低于写时钟频率即可。在图4中给出了FIFO控制电路的流程图，下面将对低速传输和高速传输进行详细介绍。

　　低速采集数据传输过程

　　在图5给出了低速采集时传输周期时序仿真时序图，在低速采集时，写时钟频率小于读时钟，每次触发长度为FIFO长度的一半。采集结束即剩余数据传输的长度不到FIFO的一半。根据prog_full的设置，在prog_full有效，同时采集门控信号有效时启动触发请求，由于prog_full为写时钟域信号，必须要经过rd_clk同步，源代码如下：

　process(rd_clk,acq_start_rst)
　　begin
　    if acq_start_rst=’1’then
　　       prog_full_dly<=’0’;
　               prog_full_dly1<=’0’;
   elsif rd_clk’event and rd_clk=’1’
   then
           if acq_gate= ’1’ then 
                 prog_full_dly<=prog_full;
                 prog_full_dly1<=prog_
                 full_dly;
else
   prog_full_dly<=’0’;
　  prog_full_dly1<=’0’; 
　end if;
end if;
end process;

　　当FIFO半满时触发读请求有效，acq_frame_l为低电平，启动采集数据传输请求，地址和数据同时有效，sdram控制器给出应答信号acq_trdy_l，长度由FIFO读写控制电路决定，触发一次的长度为32，即FIFO半满的长度，传输完毕，给出传输结束标志信号acq_blast，一次传输周期结束。采集门控信号结束后，FIFO剩余数据长度不足32，这时候启动门控结束传递进程，触发结束标志由almost_empty决定，当alomost_empty有效时，停止触发。

高速采集数据传输过程

　　在高速采集时，读时钟频率等于写时钟频率，当启动触发传输时，触发传输长度为门控信号长度，直到将FIFO内部数据传输完毕，触发结束标志由almost_empty决定，当alomost_empty有效时，停止触发传输，触发传输过程如图6所示。

　　结语

　　采用高速异步FIFO作为数据采集缓存，应用范围十分广泛。特别是在高速数据采集系统中，在外接存储器时，采集数据首先要经过缓存才能存入外部存储器，采用FPGA自生成FIFO就能够满足要求。本方案充分利用FIFO的特点，通过控制电路优化设计，解决了读写时钟的异同问题，提高了电路的工作效率。

　　参考文献：

　　[1] John F W. 数字设计原理与实践[M]. 北京：机械工业出版社, 2003

　　[2] 候伯亨, 顾新. VHDL硬件描述语言与电路设计[M]. 西安：西安电子科技大学出版社, 1997

　　[3] Virtex-5 FPGA User Guide, Xilinx

　　[4] 雷海卫, 刘俊. FPGA中软FIFO的设计与实现[J]. 微计算机信息, 2008,24(2):207-209

　　[5] 于海, 樊晓桠. 基于FPGA异步FIFO的研究与实现[J]. 微电子学与计算机, 2007,24(3):210-216