FPGA高速實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 FPGA高速實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案 引言 信息時代的日新月異，催促著各種各樣的數(shù)據(jù)信息快馬加鞭，人們在要求信息傳輸?shù)迷絹碓娇斓耐瑫r，還要求信息要來得更加及時，于是高速實時的數(shù)據(jù)傳輸就成為了電子信息領(lǐng)域里一個永遠(yuǎn)不會過時的主題。但是，可以清楚地看到，當(dāng)今動輒成百上千兆的數(shù)據(jù)流一股腦的涌入，任何一個高速數(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引起各種各樣的問題，因此如何能安全高效的對高速數(shù)據(jù)開展實時接收、存儲、處理和發(fā)送正是此次設(shè)計方案的目的。 2.設(shè)計方案的硬件選定 鑒于當(dāng)前高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計方案大多是現(xiàn)場可編程門

2、陣列（FPGA）加片外存儲介質(zhì)（ SDRAM、SRAM、DDR等）的組合，于是本次設(shè)計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，用作整個高速數(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公司的高性價比 Cyclone系列 FPGA；靜態(tài)存儲器具有昀大的優(yōu)點就是數(shù)據(jù)讀取速度快，且控制信號簡單易操作，昀適用于高速數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，方案選用 ISSI公司的 IS61LV51216型號的靜態(tài)存儲器 ，其處理速度和存儲容量滿足系統(tǒng)設(shè)計的需要；TI公司的 TLK1501是此

3、次設(shè)計選用的高速數(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)改良提供了條件。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)計方案 實現(xiàn)整個數(shù)據(jù)流從接收、存儲、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并行像素數(shù)據(jù)和三個同步信號像素時鐘 Pclk、數(shù)據(jù)使能信號 DE以及場同步信號 Vsy，fpga內(nèi)部的寫緩沖區(qū)控制器則會根據(jù)以上三個數(shù)據(jù)同步信號生成寫緩沖區(qū)的寫入地址，控制 24bit的像素數(shù)據(jù)信號存入寫緩沖區(qū)中，并會在一段時間后向內(nèi)存控

4、制器發(fā)送讀請求（ 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構(gòu)造，采用乒乓操作，這樣整個內(nèi)存讀取和緩沖區(qū)寫入過程是各自獨立開展的，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)存儲器中，以上為像素數(shù)據(jù)的接收和存儲過程；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)時鐘 Dclk、幀同步 Fsy等信號，使讀緩沖區(qū)控制器產(chǎn)生對讀緩沖區(qū)的讀取地址，讀緩沖區(qū)控制器在產(chǎn)生讀地址的同時，還會在一段時間間隔后向內(nèi)存控制器發(fā)送寫請求（

5、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構(gòu)造，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 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)控制器的寫請求后在片外靜態(tài)存儲器中讀出相應(yīng)地址的數(shù)據(jù)寫入讀緩沖區(qū)中，這樣整個數(shù)據(jù)的接收、存儲、轉(zhuǎn)換到發(fā)送的過程得以實現(xiàn)。 3.1 寫緩沖區(qū)控制器的設(shè)計 由 DVI解碼芯片輸入給 fpga的像素時鐘信號 Pclk、數(shù)據(jù)使能信號 DE以及場同步信號 Vsy表示 24bit并行像素數(shù)據(jù)的同步信息。例如： 1024512

6、顯示分辨率的圖像，則在每兩個場同步信號 Vsy脈沖之間有 512個“DE=1”的數(shù)據(jù)有效信號，而在每個“ DE=1”的數(shù)據(jù)有效信號中有 1024個 Pclk像素時鐘信號，如此可將輸送的像素數(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，在每個 Vsy脈沖來時將寫緩沖區(qū)寫入地址清零，然后在“DE=1”時寫緩沖區(qū)控制器內(nèi)的地址計數(shù)器計數(shù)有效，在每個 Pclk上升沿開展計數(shù)加 1操作，這樣在每個 DE有效時會產(chǎn)生一行的像素數(shù)據(jù)地址，再到下一個DE有效時地址計數(shù)器又會重新計數(shù)，如此循環(huán)，而寫緩沖區(qū)會按照對應(yīng)的地址將輸入的 24bit并行像素數(shù)據(jù)同步寫入緩沖區(qū)內(nèi)。寫緩沖區(qū)控制器會在地址計數(shù)

7、器計數(shù)到半行數(shù)據(jù)地址的時候，向內(nèi)存控制器發(fā)送寫緩沖區(qū)讀請求信號（ wcache_rreq）和相應(yīng)緩沖區(qū)地址，要求內(nèi)存控制器對已寫入的半行像素數(shù)據(jù)以 48bit并行數(shù)據(jù)格式開展讀取，由于內(nèi)存控制器的等效操作時鐘遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寫緩沖區(qū)的寫入時鐘，因此內(nèi)存控制器會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 wcache_rreq的到來，如此便形成了對寫緩沖區(qū)的乒乓操作，保證了輸入像素數(shù)據(jù)的正確和連續(xù)接收，防止產(chǎn)生像素數(shù)據(jù)漏接和不同步的現(xiàn)象。讀緩沖區(qū)控制器的設(shè)計思路同上，不再贅述。 3.2 內(nèi)存控制器的設(shè)計 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)對兩個緩沖區(qū)和片外靜態(tài)存儲器

8、的讀寫狀態(tài)控制，共有四個狀態(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)移的信號包括：寫緩沖區(qū)讀請求信號（wcache_rreq）、寫緩沖區(qū)讀取完成信號（ r_over）、讀緩沖區(qū)寫請求信號（ rcache_wreq）以及讀緩沖區(qū)寫入完成信號 (w_req)。狀態(tài)機(jī)在沒有任何操作請求下處于空閑狀態(tài)，而當(dāng)其接收到“wcache_rreq”信號時，狀態(tài)就會隨之變?yōu)閷懢彌_區(qū)讀取狀態(tài)并開展相應(yīng)操作，而當(dāng)讀取操作完成后會有“ r_over”信號傳入狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)又會轉(zhuǎn)入空閑狀態(tài)等待下一信號進(jìn)入，而當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于寫緩沖區(qū)讀取狀態(tài)時接收到了“ rcache_wreq”信號，

9、則狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)入讀寫交替狀態(tài)，此時會對寫緩沖區(qū)和讀緩沖區(qū)開展交替操作，一旦有一個緩沖區(qū)操作完成時會輸入相應(yīng)的操作完成信號，此時狀態(tài)機(jī)即轉(zhuǎn)入對另一緩沖區(qū)的單獨操作直至操作完成再次進(jìn)入空閑狀態(tài)。整個狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程保證了對讀寫緩沖區(qū)操作請求的及時響應(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)存儲器的地址總線為 19 位，數(shù)據(jù)總線為16 位，經(jīng)公式（1）計算 可知采用三片內(nèi)存的總?cè)萘空每梢源鎯蓤?024512 顯示分辨率的圖像，這樣可以對存 儲器開展乒乓操作，在存儲器內(nèi)寫入一場數(shù)據(jù)，讀取另一場數(shù)據(jù)，兩者交替獨立開展。 內(nèi)存控制模塊負(fù)責(zé)對片外存儲器開展控制，其控制信號是兩個低電平有效信號：

10、nWE 和nCS。nCS 為片選信號，當(dāng)為高電平時存儲器處于非工作狀態(tài)，此時不能對存儲器開展任 何操作，低電平時為正常工作狀態(tài)，可以開展讀寫操作；nWE 為存儲器寫入信號，當(dāng)置為 低電平時可以對存儲器執(zhí)行寫入操作，置為高電平時則可以對存儲器執(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)定兩個控制信號的高低電平對片外存儲器開展控制。圖 三為在QuartusII 硬件開發(fā)平臺上通過邏輯分析儀實際采樣出來的片外靜態(tài)存儲器工作時序 波形圖，以中圖為例，存儲器由寫入狀態(tài)轉(zhuǎn)為讀取狀態(tài)，存儲器的地址總線信號和數(shù)據(jù)總 線信號的變化就可看出存儲器狀態(tài)的變化，在寫入狀態(tài)時地址總線按時鐘周期發(fā)生變化，同 時

11、會有48bit 并行數(shù)據(jù)寫入相應(yīng)內(nèi)存地址中，而在存儲器進(jìn)入讀取狀態(tài)后，地址總線則變?yōu)?讀取地址，存儲器則會在延遲地址總線一個時鐘周期后將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 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 16bit數(shù)據(jù)可以等效為 8個 24bit數(shù)據(jù)，故將數(shù)據(jù)輸出時鐘 Dclk用一個 011的計數(shù)器開展計數(shù)，然后取其中的 8個連續(xù)時鐘讀取 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

12、上時鐘不匹配的問題。讀取的 24bit數(shù)據(jù)隨后被分成兩個 12bit數(shù)據(jù)依次裝入 16個 12bit移位存放器中，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開展碼頭加載，將自己編寫的 16bit數(shù)據(jù)頭校驗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，完成整個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和發(fā)送過程。 4.實際測試結(jié)果 用 TLK1501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，通過比對發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的一致性就可以對邏輯設(shè)計、時序等方面開展驗證，以保證設(shè)計正確。在實際測試時

13、，用一組設(shè)計好的 24bitDVI數(shù)據(jù)取代實際傳輸?shù)南袼匦盘?，而其他同步信號則仍為實際 DVI同步信號，這樣做的目的就是可以對發(fā)送數(shù)據(jù)開展控制，方便與接收數(shù)據(jù)開展比對，設(shè)計的發(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)信號仍為依次加 “1”的 24bit數(shù)，則說明邏輯設(shè)計和時序方面沒有問題，設(shè)計方案可以用于實際操作中。 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。由圖中比照可以看出，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)，實際測試結(jié)果證實整個高速實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計滿足設(shè)計要求，可以用于實際操作中。 5.結(jié)語 本系統(tǒng)在實際測試中，發(fā)送端數(shù)據(jù)時鐘為 40MHz，由于高速數(shù)據(jù)傳輸芯片TLK1501可以傳輸 20倍頻的串行數(shù)據(jù)流，因此實際在信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速度可以到