基于FPGA的双口RAM设计

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　　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

　　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：

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。