基于FPGA的FIFO设计和应用

引 言
在利用DSP实现视频实时跟踪时，需要进行大量高速的图像采集。而DSP本身自带的FIFO并不足以支持系统中大量数据的暂时存储，这就要求大的中间缓存，而专用的高速FIFO芯片价格昂贵且容量受限，大大增加了商业成本，因此在实际应用中寻找FIFO代替器件是很有必要的。

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FI插件电感器FO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，在上电和时电感器的功能钟稳定后等待100 ms，至少执行一条空操作，然后对所有页执行预充电操作，使所有差模电感页处于空闲状态，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，突发类型一体电感是交错的。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。

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