基于FPGA的FIFO设计和应用

1 器件选择
    这里在视频信号处理系统中，将利用FPGA作为桥梁，实现对SDRAM的控制，以达到大量高速存取数据的功能。之所以选取SDRAM，主要是因为在各种随机存取器件中，SDRAM的容量较大，价格较低，且数据突发传输模式大大提高了存取速度，能够满足应用的要求。
    FIFO的速度受到两个因素的限制：
    (1)SDRAM的最高工作频率。SDRAM的工作频率越高，数据的传输速率就越高；
    (2)SDRAM的突发长度。SDRAM的突发长度越长，对数据流的吞吐量就越大，可以从某种程度上提高数据的传输速率。
    FIFO的大小由所选SDRAM芯片的容量来决定。该设计以采用MICRON公司的MT48LC4M3282(4 BANK×4M×32 b)为例，存储容量为128 Mb，数据带宽为32位，内部由4个BANK组成，每个BANK有4 096行和256列。
    MT48LC4M3282的控制信号有CLK(时钟信号)、CKE(时钟使能)、CS(片选信号)、WE(写使能)、CAS(列有效)、RAS(行有效)、DQM0～DQM3(输入输出使能)。控制信号组成的常用控制命令如表1所示。

2 FIFO系统设计
    FIFO系统由FGPA和SDRAM两部分组成。其中，FGPA内部包含FIFO监控器、缓冲器、SDRAM控制器三个模块。FIFO监控器的作用是将FIFO的状态转变成状态机的读、写信号。若操作为向SDRAM写数据，则在FIFO已满时，FIFO监控器送出一个信号，以阻止写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出；若操作为向SDRAM读数据，则在缓冲器已空时，FIFO监控器送出一个信号，以阻止读操作继续从FIFO中读数据而造成无效数据的读出。FIFO的模块结构如图1所示。

    在该设计中，摄像头采用640×480的屏幕分辨率，图像深度为8，每秒为25帧，图像数据量的大小为图像中像素总数与图像深度的乘积，由此可以得出每帧图像的大小为2．457 Mb，每秒钟视频产生数据的大小为61．44 Mb。因为系统向SDRAM控制器写入和读出数据的速度比较低，约为62 MHz，FPGA的外接晶振CLK为27 MHz，FPGA和SDRAM的工作时钟由锁相环4倍频后生成，即为108 MHz，所以SDRAM控制器向SDRAM写入和读出数据的速率为108 MHz，因此二者属于不同的时钟域，需要用缓冲器作为输入和输出的缓存。
    SDRAM控制器的模块结构如图2所示，其中SDRAM控制器内部包括：初始化模块、模式寄存器、控制模块和状态机。SDRAM的接口设计是极其关键的，可根据SDRAM内部操作状态之间的联系，通过状态机来实现接口设计。初始化模块负责SDRAM的初始化，在上电和时钟稳定后等待100 ms，至少执行一条空操作，然后对所有页执行预充电操作，使所有页处于空闲状态，接着向各页发出两条刷新操作指令，最后发出一个模式寄存器装载命令，使SDRAM有确定的状态进行读写操作。模式寄存器可根据要求对SDRAM的突发长度、突发类型、CAS延时的时钟数、运行模式和写突发模式进行设置，确定SDRAM在读写操作时的工作状态。模式寄存器M0～M2用于规定突发长度，可以为1，2，4，8。M3用于规定突发类型，当M3=0时，突发类型是连续的；当M3=1时，突发类型是交错的。M4～M6用于规定CAS延迟的时钟周期数，可以分为1，2，3。M7，M8用于规定运行模式。M9用于规定写突发模式，当M9=0时，按实际编程的突发长度存取；当M9=1时，按单个存取单元写入，但可按实际编程的突发长度读出。

    状态机是SDRAM控制器的核心控制模块，其作用主要有两个方面：其一是对各模块发出的操作请求进行仲裁，在适当的时刻作出反映，发出对SDRAM适当的控制命令；其二是协调各模块之间的时序关系，满足对SDRAM读写所必需的时序要求。状态机的状态转移如图3所示。

    在模式设定之后，BANK和行地址选中需要访问数据所在的具体BANK块和行，状态机对这一行发出激活命令，从激活到读写操作需要经过一个tRCD的延时，设计中选tRCD=20 ns，而系统时钟周期为9．26 ns，所以从激活到执行读写操作之间至少需要3个时钟周期。在执行读写操作时，只要状态机通过读写命令选中数据所在行的列地址，就能达到读写具体存储单元的目的。状态机对SDRAM发出一个读命令后，需要等待一个CAS latency，然后才能读数据；而写操作是实时的，不需要延时，状态机在发出写命令后，就可以对SDRAM进行写操作。SDRAM同时只允许一行地址激活，因此在完成某BANK／ROW的读写操作后，对该BANK／ROW进行预充电，然后才能激活下一个BANK／ROW。从预充电成功到下一次激活命令成功，如果是在同一个BANK块，则需要延时tRC，如果是不同的BANK块，则需要延时tRRD。
    SDRAM要求在64 ms之内对4 096行进行刷新，也就是每15．625μs刷新一行。由于系统时钟周期为9．26 ns，所以刷新模块计数达到1 685时，就需要对SDRAM发出刷新命令，保证SDRAM中的数据不丢失。将自动刷新请求设为优先请求，状态机内部有请求仲裁逻辑，当自动刷新请求和其他请求同时出现时，优先保证自动刷新请求，状态转移至刷新操作，当刷新操作结束时，重新返回空闲状态，开始响应其他请求。

3 工程应用介绍
    该设计目的是为了扩展TMS320DM642的FIFO容量，以FPGA为接口，实现与SDRAM的连接。TMS320DM642可以对4 GB的地址进行寻址，而实际应用中FIFO的容量只有256 KB，寻址空间为0x0184000~0x0187FFFF，因此在实际应用中必须进行扩展。这里采用1片MICRON公司的MT48LC4M3282型号的128 Mb SDRAM，采用32位数据总线，将其通过FPGA配置在TMS320DM642处理器的EMIFA CE3上，其地址范围为0xB0000000～0xB7FFFFFF。在该设计中，突发长度为8，CAS latency为3。图4为用Modelsim SE 6．0仿真的SDRAM读时序图。

4 结 语
    该设计已应用于目标识别与跟踪系统中的帧缓冲。文中主要介绍了SDRAM的具体信号关系，说明各种操作命令，给出在高速图像存储系统中SDRAM控制器的具体硬件接口设计。大容量存储器是FIFO的发展方向，从现在通用的SDRAM、专用的SRAM，到DDR SDRAM，容量越来越大，速度也越来越快，而用FPGA作为SDRAM的控制器，具有最大的灵活性，也能在最大限度上发挥SDRAM高速度的优势，因此对它进行研究具有重要的意义。