FPGA与SRAM相结合完成大容量数据存储

2006-06-12 14:41:57来源: 电子产品世界
1 引言

随着数字信号处理技术的不断发展,大容量可编程逻辑器件的不断涌现,FPGA技术越来越多地应用在大规模集成电路设计中。在此硬件系统设计中,经常会遇到需要大容量的数据存储的情况,下面我们将针对FPGA中内部Block RAM有限的缺点,提出了将FPGA与外部SRAM相结合来改进设计的方法,并给出了部分VHDL程序。 

硬件设计

这里将主要讨论以Xilinx公司的 FPGA(XC2S600E-6fg456)和ISSI公司的SRAM(IS61LV25616AL)为主要器件来完成大容量数据存储的设计思路。

FPGA即现场可编程门阵列,其结构与传统的门阵列相似,大量的可编程逻辑块(CLB, Configurable Logic Block)在芯片中央按矩阵排列,芯片四周为可编程输入/输出块(IOB, Input/Output Block),CLB行列之间及CLB和IOB之间具有可编程的互连资源(ICR, Inter Connect Resource)。CLB、IOB和ICR都由分布在芯片中的SRAM静态存储单元控制,SRAM中的数据决定FPGA的功能,这些数据可以在系统加电时自动或由命令控制从外部存储器装入 。

在进行数据存储时,可直接将数据写入FPGA内部的Block RAM中,在一定程度上减少了FPGA的资源分配。但FPGA内部自带的RAM块毕竟是有限的,当需进行大容量数据存储时这有限的RAM块是远远不能满足系统设计要求的。此时,就需要将FPGA与外部RAM相结合完成大容量数据存储。具体硬件电路如图一所示:

 
                                 图一 硬件电路原理图 

3 IS61LV25616AL功能简介

IS61LV25616AL是Integrated Silicon Solution 公司(ISSI)的一款容量为256K×16的且引脚功能完全兼容的4Mb的异步SRAM,可为Xilinx公司的Spartan-2E系列FPGA提供高性能、高消费比的外围存储。除了256K×16异步SRAM外,ISSI还提供128K×16、512K×16、256K×8、512K×8和1M×8的异步SRAM。

IS61LV25616AL引脚结构框图如图二所示:


  
                      图二 IS61LV25616AL结构框图

3.1主要特征
(1)工作电压:3.3伏;
(2)访问时间:10ns、12ns;
(3)芯片容量:256K×16;
(4)封装形式: 44引脚TSOPII封装,也有48引脚mBGA和44引脚SOJ封装;
(5)采用0.18μm技术制造;

3.2引脚功能
(1)A0~A17:18位的地址输入线;
(2)IO0~IO15:16位的三态数据输入输出线;
(3)  :写控制线;
(4)  : 片选信号;
(5)  :输出使能信号;
(6)  、 :低字节、高字节使能信号; 
(3)~(6)的控制线均为低电平有效。

3.3控制逻辑电路设计                          
如图三所示,控制逻辑由FPGA来实现。主要包括读地址产生器、写地址产生器、读写时钟信号产生器及读写控制等几部分。下面分别加以讲述。 
 


图三 原理框图

(1)写地址产生器:由于设计时采用256K×16 的SRAM,故有18位地址,写地址产生器用18位计数器实现。靠外部时钟驱动,每进行一次写操作后,读写控制单元产生计数脉冲,使其增1,直到18位计数器计满再循环写入地址为0的空间。

(2)读地址产生器同上,也采用18位计数器实现,根据系统要求,每隔一定的采样周期将读地址指针偏移一定偏移量,并从该位置读取数据。

(3)读写地址选择器由于读写地址复用管脚,因此在读写操作时,必须选通相应的地址。这就需要由FPGA控制芯片上的  、  、 、 等控制信号来对SRAM进行读写的操作。

(4)此外,由于读写之间的切换,数据线上的数据在切换瞬间如不加处理会出现混乱现象。因此,为避免读、写操作发生冲突,数据线呈三种状态,读数据、写数据及高阻态。在从写到读的过程中需给数据线上送高阻态。  

(5) 当需要对SRAM进行写操作时,由FPGA控制产生写地址选通信号,该选通信号为一单脉冲形式,如图四中  、 、 ,该脉冲下降沿触发SRAM,告知开始对RAM进行写操作,使FPGA输出写地址,同时给数据线上送数据。在写操作期间,  、 片选信号始终保持低电平,而写地址选通信号上升沿到来时使写地址计数器增1。以此类推,通过写地址选通信号高低电平变化完成对数据依次写入。需要注意的是,地址线和数据线在  、 、 为高时可同时赋新值,但只有在 变低后赋予数据线上的新值才有效。

图四 RAM写操作时序

对SRAM进行读操作相对较简单,在进行读操作期间,   、  、 、 始终为低电平, 始终为高电平。每进行一次读操作,地址按系统要求变化一次。同时注意,地址的变化时刻总要先于数据的变化时刻。图五为RAM读操作时序。 
 
                         图五 RAM读操作时序

以下是一段用VHDL语言描述的控制RAM的读写操作时序的程序代码:
OE_SRAM<=LOWLEVEL;
CE_SRAM<=LOWLEVEL;
when 0    =>  addr_SRAM<=temp_addr_SRAM;                 --WRITE to SRAM  
        data_SRAM<=data_in;
        WE_SRAM<='1';
        LB_SRAM<='1';
        UB_SRAM<='1';    
when 1 =>   WE_SRAM<='0';
        LB_SRAM<='0';
        UB_SRAM<='0';
when 2 =>   WE_SRAM<='1';
        LB_SRAM<='1';
        UB_SRAM<='1';
when 3 =>   WE_SRAM<='1';                          --READ from SRAM
        LB_SRAM<='0';
        UB_SRAM<='0';
        data_SRAM<=b"ZZ_ZZZZ_ZZZZ_ZZZZ_ZZZZ";   --给数据线上送高阻
        addr_SRAM<=temp_addr_SRAM;
when 4 =>    data_out <=data_SRAM;

程序中,在进行读写操作时,片选使能信号CE_SRAM及输出使能信号OE_SRAM始终为低电平。
· 第0时刻到第2时刻在进行写操作:第0时刻地址线addr_SRAM和数据线data_SRAM同时赋新值,控制线WE_SRAM 、LB_SRAM、 UB_SRAM要经历一个窄脉冲的变化过程, RAM在获取到此控制线下降沿信息后,便知开始进行写操作。需要注意的是,虽然数据在第0时刻已赋到数据线上,但因为写操作是控制线低电平有效,所以数据线上真正发生数据更新是在控制线变为低电平之后,因此,数据线上的实际更新时刻是在第2个时刻。

·第3、4状态是进行读操作:在读写转换时刻,也就是在第3时刻如前所述需给数据线上送高阻态。这样,读取数据的时序关系由系统时钟进行控制,在第3时刻给地址线上送要读取的地址,第4时刻将数据端口上的数据送出。这里需注意的是,读取数据要比读取地址晚一个时刻。从而,完成了对外部RAM的读写操作控制。

4结论

该系统已应用在罗兰—C导航接收机的信号处理中。实验证明,此设计可靠稳定地完成了大容量高速异步数据存储,进一步提高了系统的性能。


参考文献
[1] 孙红胜,岳春生用.DRAM、FPGA实现大容量FIFO存储器.信息工程学院学报.1997(9):38~41
[2] Data Sheet IS61LV25616AL 2004.5.5
[3] Keven Skahill.可编程逻辑系统的VHDL设计技术[M].朱明程,孙普译.东南大学出版社,2003

关键字:可编程  数据  存储

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