基于Cyclone系列FPGA和片外存儲(chǔ)介質(zhì)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1．引言

信息時(shí)代的日新月異，催促著各種各樣的數(shù)據(jù)信息快馬加鞭，人們?cè)谝笮畔鬏數(shù)迷絹碓娇斓耐瑫r(shí)，還要求信息要來得更加及時(shí)，于是高速實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸就成為了電子信息領(lǐng)域里一個(gè)永遠(yuǎn)不會(huì)過時(shí)的主題。但是，可以清楚地看到，當(dāng)今動(dòng)輒成百上千兆的數(shù)據(jù)流一股腦的涌入，任何一個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性等方方面面的問題都面臨著極大的挑戰(zhàn)，稍有考慮不周之處就會(huì)引起各種各樣的問題，因此如何能安全高效的對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)接收、存儲(chǔ)、處理和發(fā)送正是此次設(shè)計(jì)方案的目的。

2．設(shè)計(jì)方案的硬件選定

鑒于當(dāng)前高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案大多是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）加片外存儲(chǔ)介質(zhì)（ SDRAM、SRAM、DDR等）的組合，于是本次設(shè)計(jì)方案同樣采用這種組合方式，具體為一片 FPGA、三片靜態(tài)存儲(chǔ)器（ SRAM）和一片高速數(shù)據(jù)傳輸芯片。 FPGA具有管腳多、內(nèi)部邏輯資源豐富、足夠的可用 IP核等優(yōu)點(diǎn)，用作整個(gè)高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的控制模塊極為合適，此次方案中選用 Altera公司的高性價(jià)比 Cyclone系列 FPGA；靜態(tài)存儲(chǔ)器具有昀大的優(yōu)點(diǎn)就是數(shù)據(jù)讀取速度快，且控制信號(hào)簡(jiǎn)單易操作，昀適用于高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，方案選用 ISSI公司的 IS61LV51216型號(hào)的靜態(tài)存儲(chǔ)器 ，其處理速度和存儲(chǔ)容量滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要；TI公司的 TLK1501是此次設(shè)計(jì)選用的高速數(shù)據(jù)傳輸芯片，其傳輸能力十分強(qiáng)大，不僅能滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)的傳輸速度需要，還留有充分的帶寬余量，為以后的系統(tǒng)改進(jìn)提供了條件。上述三種芯片是此次高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)所要用到的主要組成部件，其具體連接方式等問題不作討論。

3．具體設(shè)計(jì)方案

實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)流從接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換直到發(fā)送的過程由圖一可以看出，在接收端經(jīng)由 DVI解碼芯片傳輸?shù)慕獯a數(shù)據(jù)包含 24bit并行像素?cái)?shù)據(jù)和三個(gè)同步信號(hào)——像素時(shí)鐘 Pclk、數(shù)據(jù)使能信號(hào) DE以及場(chǎng)同步信號(hào) Vsy，fpga內(nèi)部的寫緩沖區(qū)控制器則會(huì)根據(jù)以上三個(gè)數(shù)據(jù)同步信號(hào)生成寫緩沖區(qū)的寫入地址，控制 24bit的像素?cái)?shù)據(jù)信號(hào)存入寫緩沖區(qū)中，并會(huì)在一段時(shí)間后向內(nèi)存控制器發(fā)送讀請(qǐng)求（ wcache_rreq）以讀出寫緩沖區(qū)內(nèi)的已寫入數(shù)據(jù)，寫緩沖區(qū)是由 fpga自帶的 M4K塊配置生成的雙端口 RAM結(jié)構(gòu)，采用乒乓操作，這樣整個(gè)內(nèi)存讀取和緩沖區(qū)寫入過程是各自獨(dú)立進(jìn)行的，保證所寫入數(shù)據(jù)的完整性，內(nèi)存控制器在接收寫緩沖區(qū)控制器發(fā)送的讀請(qǐng)求后，按照相應(yīng)的寫緩沖區(qū)地址讀取數(shù)據(jù)，并將其寫入片外靜態(tài)存儲(chǔ)器中，以上為像素?cái)?shù)據(jù)的接收和存儲(chǔ)過程；在發(fā)送端，幀同步產(chǎn)生及高速數(shù)據(jù)傳輸控制器通過 fpga自帶的鎖相環(huán)產(chǎn)生數(shù)據(jù)時(shí)鐘 Dclk、幀同步 Fsy等信號(hào)，使讀緩沖區(qū)控制器產(chǎn)生對(duì)讀緩沖區(qū)的讀取地址，讀緩沖區(qū)控制器在產(chǎn)生讀地址的同時(shí)，還會(huì)在一段時(shí)間間隔后向內(nèi)存控制器發(fā)送寫請(qǐng)求（ rcache_wreq）以向被讀過的讀緩沖區(qū)部分寫入新數(shù)據(jù)，同樣讀緩沖區(qū)也是雙端口 RAM結(jié)構(gòu)，采用乒乓操作，保證被發(fā)送數(shù)據(jù)的連續(xù)完整，被讀出的 24bit數(shù)據(jù)經(jīng)過一個(gè) 24bit/16bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為 16bit并行數(shù)據(jù)之后才能輸出給高速數(shù)據(jù)傳輸芯片，而內(nèi)存控制器在接收讀緩沖區(qū)控制器的寫請(qǐng)求后在片外靜態(tài)存儲(chǔ)器中讀出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寫入讀緩沖區(qū)中，這樣整個(gè)數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換到發(fā)送的過程得以實(shí)現(xiàn)。

3．1 寫緩沖區(qū)控制器的設(shè)計(jì)

由 DVI解碼芯片輸入給 fpga的像素時(shí)鐘信號(hào) Pclk、數(shù)據(jù)使能信號(hào) DE以及場(chǎng)同步信號(hào) Vsy表示 24bit并行像素?cái)?shù)據(jù)的同步信息。例如： 1024×512顯示分辨率的圖像，則在每?jī)蓚€(gè)場(chǎng)同步信號(hào) Vsy脈沖之間有 512個(gè)“DE=1”的數(shù)據(jù)有效信號(hào)，而在每個(gè)“ DE=1”的數(shù)據(jù)有效信號(hào)中有 1024個(gè) Pclk像素時(shí)鐘信號(hào)，如此可將輸送的像素?cái)?shù)據(jù)同步。

寫緩沖區(qū)控制器直接接收輸入的 DVI數(shù)據(jù)同步信號(hào)，在每個(gè) Vsy脈沖來時(shí)將寫緩沖區(qū)寫入地址清零，然后在“DE=1”時(shí)寫緩沖區(qū)控制器內(nèi)的地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)有效，在每個(gè) Pclk上升沿進(jìn)行計(jì)數(shù)加 1操作，這樣在每個(gè) DE有效時(shí)會(huì)產(chǎn)生一行的像素?cái)?shù)據(jù)地址，再到下一個(gè)DE有效時(shí)地址計(jì)數(shù)器又會(huì)重新計(jì)數(shù)，如此循環(huán)，而寫緩沖區(qū)會(huì)按照對(duì)應(yīng)的地址將輸入的 24bit并行像素?cái)?shù)據(jù)同步寫入緩沖區(qū)內(nèi)。寫緩沖區(qū)控制器會(huì)在地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到半行數(shù)據(jù)地址的時(shí)候，向內(nèi)存控制器發(fā)送寫緩沖區(qū)讀請(qǐng)求信號(hào)（ wcache_rreq）和相應(yīng)緩沖區(qū)地址，要求內(nèi)存控制器對(duì)已寫入的半行像素?cái)?shù)據(jù)以 48bit并行數(shù)據(jù)格式進(jìn)行讀取，由于內(nèi)存控制器的等效操作時(shí)鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寫緩沖區(qū)的寫入時(shí)鐘，因此內(nèi)存控制器會(huì)迅速的將已寫入的半行數(shù)據(jù)讀出并停止讀數(shù)，等待下一個(gè) wcache_rreq的到來，如此便形成了對(duì)寫緩沖區(qū)的乒乓操作，保證了輸入像素?cái)?shù)據(jù)的正確和連續(xù)接收，避免產(chǎn)生像素?cái)?shù)據(jù)漏接和不同步的現(xiàn)象。讀緩沖區(qū)控制器的設(shè)計(jì)思路同上，不再贅述。

3．2 內(nèi)存控制器的設(shè)計(jì)

內(nèi)存控制器里包含主狀態(tài)機(jī)和內(nèi)存控制模塊，如圖二所示，主狀態(tài)機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)兩個(gè)緩沖區(qū)和片外靜態(tài)存儲(chǔ)器的讀寫狀態(tài)控制，共有四個(gè)狀態(tài)——空閑狀態(tài)、寫緩沖區(qū)讀取狀態(tài)、讀緩沖區(qū)寫入狀態(tài)和讀寫交替狀態(tài)，用于控制狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的信號(hào)包括：寫緩沖區(qū)讀請(qǐng)求信號(hào)（wcache_rreq）、寫緩沖區(qū)讀取完成信號(hào)（ r_over）、讀緩沖區(qū)寫請(qǐng)求信號(hào)（ rcache_wreq）以及讀緩沖區(qū)寫入完成信號(hào) （w_req）。狀態(tài)機(jī)在沒有任何操作請(qǐng)求下處于空閑狀態(tài)，而當(dāng)其接收到“wcache_rreq”信號(hào)時(shí)，狀態(tài)就會(huì)隨之變?yōu)閷懢彌_區(qū)讀取狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)操作，而當(dāng)讀取操作完成后會(huì)有“ r_over”信號(hào)傳入狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)又會(huì)轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)等待下一信號(hào)進(jìn)入，而當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于寫緩沖區(qū)讀取狀態(tài)時(shí)接收到了“ rcache_wreq”信號(hào)，則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入讀寫交替狀態(tài)，此時(shí)會(huì)對(duì)寫緩沖區(qū)和讀緩沖區(qū)進(jìn)行交替操作，一旦有一個(gè)緩沖區(qū)操作完成時(shí)會(huì)輸入相應(yīng)的操作完成信號(hào)，此時(shí)狀態(tài)機(jī)即轉(zhuǎn)入對(duì)另一緩沖區(qū)的單獨(dú)操作直至操作完成再次進(jìn)入空閑狀態(tài)。整個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程保證了對(duì)讀寫緩沖區(qū)操作請(qǐng)求的及時(shí)響應(yīng)，杜絕了由于狀態(tài)沖突導(dǎo)致的漏操作現(xiàn)象。

系統(tǒng)選用的片外靜態(tài)存儲(chǔ)器的地址總線為 19位，數(shù)據(jù)總線為 16位，經(jīng)公式（ 1）計(jì)算可知采用三片內(nèi)存的總?cè)萘空每梢源鎯?chǔ)兩場(chǎng) 1024×512顯示分辨率的圖像，這樣可以對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行乒乓操作，在存儲(chǔ)器內(nèi)寫入一場(chǎng)數(shù)據(jù)，讀取另一場(chǎng)數(shù)據(jù)，兩者交替獨(dú)立進(jìn)行。

（1）

內(nèi)存控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行控制，其控制信號(hào)是兩個(gè)低電平有效信號(hào)：nWE和 nCS。nCS為片選信號(hào)，當(dāng)為高電平時(shí)存儲(chǔ)器處于非工作狀態(tài)，此時(shí)不能對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行任何操作，低電平時(shí)為正常工作狀態(tài)，可以進(jìn)行讀寫操作；nWE為存儲(chǔ)器寫入信號(hào)，當(dāng)置為低電平時(shí)可以對(duì)存儲(chǔ)器執(zhí)行寫入操作，置為高電平時(shí)則可以對(duì)存儲(chǔ)器執(zhí)行讀取操作。內(nèi)存控制模塊按照主狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)來設(shè)定兩個(gè)控制信號(hào)的高低電平對(duì)片外存儲(chǔ)器進(jìn)行控制。圖三為在 QuartusII硬件開發(fā)平臺(tái)上通過邏輯分析儀實(shí)際采樣出來的片外靜態(tài)存儲(chǔ)器工作時(shí)序波形圖，以中圖為例，存儲(chǔ)器由寫入狀態(tài)轉(zhuǎn)為讀取狀態(tài)，存儲(chǔ)器的地址總線信號(hào)和數(shù)據(jù)總線信號(hào)的變化就可看出存儲(chǔ)器狀態(tài)的變化，在寫入狀態(tài)時(shí)地址總線按時(shí)鐘周期發(fā)生變化，同時(shí)會(huì)有 48bit并行數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)內(nèi)存地址中，而在存儲(chǔ)器進(jìn)入讀取狀態(tài)后，地址總線則變?yōu)樽x取地址，存儲(chǔ)器則會(huì)在延遲地址總線一個(gè)時(shí)鐘周期后將 48bit數(shù)據(jù)經(jīng)由數(shù)據(jù)總線讀出。

3．3 24bit/16bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

片外高速數(shù)據(jù)傳輸芯片為 16位輸入數(shù)據(jù)總線 ，而由 fpga內(nèi)部讀緩沖區(qū)讀出的是 24位并行數(shù)據(jù)，因此需要將 24bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 16bit數(shù)據(jù)再輸出?？紤]到傳送 12個(gè) 16bit數(shù)據(jù)可以等效為 8個(gè) 24bit數(shù)據(jù)，故將數(shù)據(jù)輸出時(shí)鐘 Dclk用一個(gè) 0~11的計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后取其中的 8個(gè)連續(xù)時(shí)鐘讀取 24bit數(shù)據(jù)，這樣就解決了 16bit數(shù)據(jù)和 24bit數(shù)據(jù)在傳輸上時(shí)鐘不匹配的問題。讀取的 24bit數(shù)據(jù)隨后被分成兩個(gè) 12bit數(shù)據(jù)依次裝入 16個(gè) 12bit移位寄存器中，再由 Dclk一位一位打出并拼裝成 16bit數(shù)據(jù)，發(fā)送給幀同步產(chǎn)生及高速傳輸芯片控制器進(jìn)行碼頭加載，將自己編寫的 16bit數(shù)據(jù)頭校驗(yàn)碼以及其他一組信息碼插入數(shù)據(jù)流中輸出給高速數(shù)據(jù)傳輸芯片，完成整個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和發(fā)送過程。

4．實(shí)際測(cè)試結(jié)果

用 TLK1501［4］高速數(shù)據(jù)傳輸芯片集成的數(shù)據(jù)接收端口接收其發(fā)送端傳輸?shù)母咚俅袛?shù)據(jù)流，在芯片內(nèi)部自解碼之后再恢復(fù)成 16bit數(shù)據(jù)傳給 fpga，通過比對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的一致性就可以對(duì)邏輯設(shè)計(jì)、時(shí)序等方面進(jìn)行驗(yàn)證，以保證設(shè)計(jì)正確。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，用一組設(shè)計(jì)好的 24bitDVI數(shù)據(jù)取代實(shí)際傳輸?shù)南袼匦盘?hào)，而其他同步信號(hào)則仍為實(shí)際 DVI同步信號(hào)，這樣做的目的就是可以對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，方便與接收數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，設(shè)計(jì)的發(fā)送數(shù)據(jù)為一串依次加“1”的規(guī)律 24bit數(shù)，因此如果接收回的數(shù)據(jù)信號(hào)仍為依次加 “1”的 24bit數(shù)，則說明邏輯設(shè)計(jì)和時(shí)序方面沒有問題，設(shè)計(jì)方案可以用于實(shí)際操作中。

圖四上為發(fā)送數(shù)據(jù)波形圖，圖六下為接收數(shù)據(jù)波形圖。由圖中對(duì)比可以看出，接收數(shù)據(jù)同發(fā)送數(shù)據(jù)均為依次加“1”的 24bit數(shù)據(jù)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果證實(shí)整個(gè)高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，可以用于實(shí)際操作中。

5．結(jié)語

本系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)送端數(shù)據(jù)時(shí)鐘為 40MHz，由于高速數(shù)據(jù)傳輸芯片——TLK1501［4］可以傳輸 20倍頻的串行數(shù)據(jù)流，因此實(shí)際在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速度可以達(dá)到 800MHz，如此高的傳輸速度可以滿足一般情況下的工程要求，而且本系統(tǒng)由于所選片外存儲(chǔ)器的容量和操作速度上限制，沒能將 TLK1501高速傳輸?shù)奶攸c(diǎn)充分發(fā)揮出來，相信在系統(tǒng)改進(jìn)之后，傳輸速度達(dá)到 1G甚至更高的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)應(yīng)該可以實(shí)現(xiàn)！

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出了一種片外 sram地址空間轉(zhuǎn)換模式，將一維的存儲(chǔ)空間抽象為二維存儲(chǔ)，可以使視頻象素點(diǎn)與存儲(chǔ)空間一一對(duì)應(yīng)；提出了一種 24bit/16bit轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)方式。

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