3 基于FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO設(shè)計(jì)

　　異步FIFO是在兩個(gè)相互獨(dú)立的時(shí)鐘域下，數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)鐘域?qū)懭隖IFO而在另一個(gè)時(shí)鐘域又從該FIFO中將數(shù)據(jù)讀出。異步FIFO通常被用來將數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域安全地傳送到另一個(gè)時(shí)鐘域。FIFO可作為A/D轉(zhuǎn)換器件和DSP間的橋梁。使用FIFO作為輸入緩沖，由A/D轉(zhuǎn)換器件把采樣轉(zhuǎn)換的值同步寫入FIFO，每寫入一塊數(shù)據(jù)便向DSP發(fā)出一個(gè)信號(hào)，以提醒DSP從FIFO中讀取數(shù)據(jù)塊。這樣比單次讀的效率要高的多，不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失，且僅占用少量的系統(tǒng)資源。設(shè)計(jì)一個(gè)異步FIFO，讀寫使能由不同的時(shí)鐘激勵(lì)控制輸入和輸出數(shù)據(jù)，空/滿標(biāo)志既用來防止數(shù)據(jù)的上溢和下溢，也作為寫入/讀出控制邏輯的輸入信號(hào)，用來控制A/D數(shù)據(jù)采樣過程和對(duì)DSP數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)FIFO輸出滿標(biāo)志時(shí)，寫入控制邏輯停止A/D采樣，等待滿標(biāo)志無效時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)采樣。從而防止數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)FIFO輸出空標(biāo)志時(shí)，讀出控制邏輯停止DSP的數(shù)據(jù)讀取，等待空標(biāo)志無效時(shí)恢復(fù)數(shù)據(jù)讀取。圖1中FPGA內(nèi)的寫入/讀出控制邏輯使用有限狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)，有限狀態(tài)機(jī)能有效的進(jìn)行讀寫時(shí)序控制，根據(jù)A/D和處理器的時(shí)序控制原理畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，進(jìn)行編程設(shè)定。

　　FIFO的參數(shù)指標(biāo)直接影響數(shù)據(jù)采集速度。首先，F(xiàn)IFO的讀寫速度要足夠快，其工作頻率至少要大于等于A/D轉(zhuǎn)換器件的采樣率，才能充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器件的高采樣率并保證無數(shù)據(jù)丟失。其次，F(xiàn)IFO的存儲(chǔ)容量要適宜，容量過大會(huì)造成資源浪費(fèi)，容量過小會(huì)造成溢出或數(shù)據(jù)采集速度過慢。系統(tǒng)FIFO采用EP3C120實(shí)現(xiàn)。由FPGA實(shí)現(xiàn)異步FIFO時(shí)，可方便的根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器的采樣精度和DSP數(shù)據(jù)寬度設(shè)計(jì)FIFO的輸人數(shù)據(jù)寬度和輸出數(shù)據(jù)寬度，且采用PLL設(shè)計(jì)后，可方便的調(diào)整FIFO寫入端和讀出端的時(shí)鐘頻率，使FIFO設(shè)計(jì)的高速緩存具有一定的通用性。異步FIFO是在QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境下利用其IP核設(shè)計(jì)的，該設(shè)計(jì)的異步FIFO可支持高達(dá)256位的數(shù)據(jù)寬度;支持存儲(chǔ)的最大深度可達(dá)131 072words，同時(shí)支持空滿標(biāo)志位。表1給出系統(tǒng)在不同存儲(chǔ)深度時(shí)消耗FPGA片內(nèi)資源的情況。可見，針對(duì)不同的數(shù)據(jù)采集需求，可利用Ahera公司提供的參數(shù)化的IP核方便的選擇FIFO的數(shù)據(jù)位寬度及存儲(chǔ)深度，避免資源浪費(fèi)。

　　考慮到前端A/D轉(zhuǎn)換速度快，精度為8位，后端DSP的處理位數(shù)一般可做到32位，為提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，采用輸入數(shù)據(jù)寬度為8位，輸出寬度為32位的雙時(shí)鐘FIFO，如圖2所示。

　　圖3為對(duì)FIFO仿真的結(jié)果。雙時(shí)鐘FIFO輸入為8位、輸出為32位，且FIFO兩端的讀寫時(shí)鐘頻率不同。

　　分析系統(tǒng)的吞吐率：由于A/D數(shù)據(jù)輸入端口的速度固定，數(shù)據(jù)按采樣頻率輸入FIFO，因此輸入數(shù)據(jù)的時(shí)間是不變的，而DSP一次訪問可取走4個(gè)有效數(shù)據(jù)，大大增加DSP讀取數(shù)據(jù)的吞吐率，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理能力。