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四月 20 2021

基于FPGA的双口RAM设计


目录

1.双口RAM
2.双口RAM实现
3.双口RAM应用
总结

  随着电子技术的飞速发展,大容量、高速FPGA器件具有集成度高、体积小、灵活可重配置、实验风险小等优点,在复杂数字系统中得到越来越广泛的应用。数字电路设计采用一片FPGA器件、存储设备和一些电气接口匹配电路的解决方案已成为主流选择方案。用FPGA来实现双口RAM的功能可以很好地解决并行性和速度问题,而且其灵活的可配置特性使得基于FPGA的双口RAM易于进行修改、测试及系统升级,可降低设计成本,缩短开发周期。

  1.双口RAM

  双口RAM是在一个SRAM存储器上具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线,并允许两个独立的系统同时对其进行随机性访问的存储器,即共享式多端口存储器。双口RAM最大的特点是存储数据共享。一个存储器配备两套独立的地址、数据和控制线,允许两个独立的CPU或控制器同时异步地访问存储单元。因为数据共享。则必须具有访问仲裁控制。内部仲裁逻辑控制提供以下功能:对同一地址单元访问的时序控制;存储单元数据块的访问权限分配:信令交换逻辑(例如中断信号)等。双口RAM可用于提高RAM的吞吐率,适用于实时数据缓存。

  CY7C006A是Cypress公司生产的16 kb×8高速双口静态RAM,存取速度小于20 ns。该器件具有真正的双端口,可以同时进行数据存取,两个端口具有独立的控制信号线、地址线和数据线,另外通过主/从选择可以方便地扩存储容量和数据宽度。通过器件的信号量标志器,左、右两端口可以实现器件资源共享。

CY7C006A引脚图

CY7C006A引脚图

  2.双口RAM实现

  本设计采用自顶而下的设计思想。选用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件,基于低功耗45 nm、9-金属铜层、双栅极氧化层工艺技术,提供高级功耗管理技术,150,000个逻辑单元,集成式PCI Express模块,高级存储器支持。250 MHz DSPslice和3.125 Gb/s低功耗收发器。通过Verilog HDL语言对双口RAM功能的描述就能在一片FPGA器件内实现8位16字节的双口RAM,并进行读写操作控制。双口RAM读写操作控制Verilog HDL代码如下:

Verilog HDL代码

  图1是双口RAM的Verilog HDL代码在Xilinx ISE中综合后的寄存器传输级电路图。

寄存器传输级电路

  图1 寄存器传输级电路

  功能仿真的是Xilinx公司已经建立自己的编译库的Modelsim XEⅢ6.2c软件,仿真结果如图2所示,满足设计要求。

双口RAM功能仿真结果

  图2 双口RAM功能仿真结果

  经Xilinx ISE软件综合实现设计,生成可下载的比特流,将其下载到FPGA中,实现双口RAM的功能。FPGA器件内部具有丰富的资源,可以在实现双口RAM基本功能的基础上。满足系统设计的其他需求,且灵活可配置。

  3.双口RAM应用

  双口RAM在数字系统中应用广泛。高速数据采集系统中,一般的数据传输系统在大数据量情况下会造成数据堵塞现象。在一些实时控制场合,实时算法经常需要由几个DSP串行或并行工作以提高系统的运行速度和实时性。以双口RAM构成的数据接口可以在两个处理器之间进行高速可靠的信息传输。此外,双口RAM可以应用在智能总线适配卡、网络适配卡中作为高速数据传输的接口。任何一种自动控制系统都离不开数据采集系统,数据采集系统的质量直接影响整体系统的工作性能。数据采集系统高速、实时发展趋势,对数据的传输和控制速度提出较高要求。而采用双口RAM可有效提高速度,解决速度匹配问题。

  设计一块数据采集系统板,用FPGA实现双口RAM功能,并且控制A/D采样与转换,以及数据写入双口RAM。利用单片机控制双口RAM的存取,构成一个独立的数据采集系统,并可以通过串行接口把数据发送给PC机。图3为其系统结构框图。

数据采集系统结构框图

  图3 数据采集系统结构框图

  首先,时钟产生启动信号,FPGA向采样开关发出选通信号,选定模拟开关采样,第0路模拟量进入,经A/D转换后变为8位数字量并存储于双口RAM中,ADC0809反馈给FPGA内控制电路并告知转换完毕,FPGA内控制电路再选通第1路模拟量进入,重复上述过程。经过0.1 ms后,时钟又产生一个脉冲启动信号。FPGA又重新从第O路模拟量选通。

  在时钟脉冲信号0.1 ms过程中,FPGA顺序通过0~7路模拟开关,在每次选通时须判断是否为第7路模拟量,若是则FPGA不再响应A/D反馈信号,而是等待0.1ms的时钟脉冲信号到达再重新开始工作。单片机用于与外部PC机通信,PC机查询是否在双端口RAM中有新数据,并经接口电路读人数据。其中双口RAM具有2组独立的数据、地址和控制总线,可对任何一个端口进行独立的操作。若未采用双口RAM,FPGA采取中断方式对CPU传输数据时,CPU就会停止当前工作而去处理外部请求,当处理完外部事件后再回到原来被中止处,继续原来的工作,这样会影响CPU的速度。因此引入双口RAM存储FPGA传送来的数据,然后CPU再从双口RAM中读数,从而提高效率。本数据采集系统采用基于FPGA双口RAM、单片机等实现数据运行处理和控制功能,使系统的通信和处理能力大大加强,保证了系统的实时性,可以灵活地通过多种方式控制数据读写。

  总结

  以上就是基于FPGA的双口RAM设计介绍了。本文充分利用FPGA实现了双口RAM的基本功能,并构成了一个数据采集系统,该系统减小了设计电路的复杂性,增强了设计的灵活性和资源的可配置性。整个系统分工明确,构成合理,具有一定的应用价值。

订购与质量

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AD9963BCPZ AD9963BCPZ Company:Analog Devices Remark:产品型号:AD9963BCPZ 描述:IC宽带前端72LFCSP 分类:集成电路(IC),专用集成电路 制造商:ADI公司 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
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SN65LBC180AD SN65LBC180AD Company:Texas Instruments Remark:产品型号:SN65LBC180AD 描述:IC TRANSCEIVER FULL 1/1 14SOIC 分类:集成电路(IC),接口-驱动器,接收器,收发器 制造商:德州仪器 打包:管 零件状态:活性 In Stock:On Order
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TLK1501IRCP TLK1501IRCP Company:Texas Instruments Remark:产品型号:TLK1501IRCP 描述:集成电路TRANSCR 0.6-1.5GBPS 64HVQFP 分类:集成电路(IC),接口-串行器,解串器 制造商:德州仪器 打包:托盘 零件状态:活性 In Stock:On Order
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