多时钟域数据传递的Spartan-II FPGA实现

2011-08-16 17:31:05来源: 现代电子技术 关键字:多时钟域  FPGA  Spartan2

     随着EDA技术的发展,由于其在电子系统设计领域中的明显优势,FPGA已经在许多方面得到了广泛应用,特别是在无线通信领域,FPGA以其极强的实时性,指令软件编程的极大灵活性赢得了巨大的市场。本文采用FPGA来设计一款广泛应用于计算机、Modem、数据终端以及许多其他数字设备之间的数据传输的专用异步并行通信接口芯片,实现了某一时钟域(如66 MHz)的8位并行数据到另一低时钟域(如40 MHz)16位并行数据的异步转换,并且客户可以根据自己的要求进行数据定义。完成数据在不同时钟域间的正确传递的同时防止亚稳态的出现,保持系统的稳定,是电路设计的关键。

1 时钟域转换中亚稳态的产生

         触发器是数字电路设计中的一个重要元件,而触发器工作过程中存在数据建立与保持时间的约束,如果这种约束得不到满足,触发器就会进入某个不确定状态——亚稳态。亚稳态的存在可能导致连锁反应,以致引起整个系统功能混乱。在单时钟域电路设计中由于不存在时钟之间的延迟和错位,所以建立条件和保持条件的时间约束容易满足。而在多时钟域里由于各个模块的非同步性,则必须考虑亚稳态的发生,如图1所示。
 

2 多时钟域数据传递方案

    多时钟域传递的信号有两种,其一为控制信号,其二为数据流信号。针对这两种不同的信号,分别采取不同方案遏制系统堕入亚稳态。对控制信号采用同步器装置,即在2个不同的时钟域之间插入同步器;而对于不同独立时钟域之间的数据流传递,为了避免异步时钟域产生错误的采样电平,采用FIFO存储器作为其转换接口,在输入端口使用写时钟写数据,在输出端口使用读时钟读数据,这样就完成了异步时钟域之间的数据交换。

芯片的总体逻辑框图如图2所示,图中输入输出信号定义如表1所示。

    从逻辑结构上将芯片划分为3块:写时钟域I/OBUFFER、读时钟域I/O BUFFER及FIFO存储器。I/O BUFFER的主要作用是对外部信号进行预处理,消除外部信号的毛刺,保证信号可靠并使外部的信号与时钟信号同步,消除不稳定的因素。根据信号的数目,BUFFER由相应数目的多个D触发器构成。
 

    FIFO存储器结构框图如图3所示,他由双端口存储器(Dual Port RAM)、写控制单元(Writc Control)和读控制单元(Read Control)构成。其中DUAL PORT RAM是由ISE6.0的一个编辑软件CORE GENERATER自动生成,使用者只需设定RAM的端口数、内存大小和渎写控制便可以生成一个适合程序的子模块。由于读写时钟属于不同的时钟域,满帧信号Frame从写控制单元向读控制单元传递时必须采取同步器(Synchronizer)同步。
 

2.1 写控制单元设计

    写控制单元主要的功能是根据写数据有效信号wdataen判断输入数据是否正确,在检测到写入数据帧的开始标志位wsof后开始计数控制写指针waddr的移动,将正确的数据写入DUAL PORT RAM中,并在一帧数据写满后向读控制单元发出写数据满帧信号wframe。为防止亚稳态的出现,设计中采取了两个措施:一是采用锁存器将帧头信号wsof拉长,确保其被稳定的采集;二是采用Gray编码计数器替代普通二进制编码计数器来控制写指针waddr的移动,因为Gray码相邻两个编码之间有且只有1位发生变化从而抑制了竞争冒险的出现。

[1] [2]

关键字:多时钟域  FPGA  Spartan2

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/FPGA/2011/0816/article_2406.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:基于FPGA的高速自适应滤波器的实现
下一篇:基于FPGA的FIR数字滤波器的优化设计

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利
推荐阅读
全部
多时钟域
FPGA
Spartan2

小广播

独家专题更多

2017东芝PCIM在线展会
2017东芝PCIM在线展会
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
迎接创新的黄金时代 无创想,不奇迹
​TE工程师帮助将不可能变成可能,通过技术突破,使世界更加清洁、安全和美好。

夏宇闻老师专栏

你问我答FPGA设计

北京航空航天大学教授,国内最早从事复杂数字逻辑和嵌入式系统设计的专家。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved