转——FPGA 设计的四种常用思想与技巧之一

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转——FPGA 设计的四种常用思想与技巧之一

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+ i1 d- C* H' Z, F" @    本文讨论的四种常用 FPGA/cpld设计思想与技巧： 乒乓操作、 串并转换、 流水线操作、 数据接口同步化， 都是 FPGA/CPLD 逻辑设计的内在规律的体现， 合理地采用这些设计思想能在FPGA/CPLD设计工作种取得事半功倍的效果。FPGA/CPLD的设计思想与技巧是一个非常大的话题， 由于篇幅所限， 本文仅介绍一些常用的设计思想与技巧， 包括乒乓球操作、 串并转换、 流水线操作和数据接口的同步方法。 希望本文能引起工程师们的注意， 如果能有意识地利用这些原则指导日后的设计工作， 将取得事半功倍的效果！



! S, l8 L& N* X9 v& x& @3 C一、乒乓操作

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5 _9 v0 y. [, J  m  @. R    “ 乒乓操作” 是一个常常应用于数据流控制的处理技巧， 典型的乒乓操作方法如图 1 所示。

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* z9 X: k) @3 |* _8 r    乒乓操作的处理流程为：输入数据流通过“ 输入数据选择单元” 将数据流等时分配到两个数据缓冲区， 数据缓冲模块可以为任何存储模块， 比较常用的存储单元为双口RAM(DPRAM)、单口RAM(SPRAM)、FIFO等。

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    在第 1个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块1” ；

- D) n; G: g2 B: Z7 d    在第2 个缓冲周期， 通过“ 输入数据选择单元” 的切换， 将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块2” ， 同时将“ 数据缓冲模块1” 缓存的第1 个周期数据通过“ 输入数据选择单元” 的选择， 送到“ 数据流运算处理模块” 进行运算处理；

    在第3 个缓冲周期通过“ 输入数据选择单元” 的再次切换，将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块1” ，同时将“ 数据缓冲模块2”缓存的第2 个周期的数据通过“ 输入数据选择单元” 切换，送到“ 数据流运算处理模块” 进行运算处理。 如此循环。



- Q9 ?7 d/ o; f& i' O3 H    乒乓操作的最大特点是通过“ 输入数据选择单元” 和“ 输出数据选择单元” 按节拍、相互配合的切换， 将经过缓冲的数据流没有停顿地送到“ 数据流运算处理模块” 进行运算与处理。
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3 t! I8 N% d0 M6 l2 w  c" O' W    把乒乓操作模块当做一个整体， 站在这个模块的两端看数据， 输入数据流和输出数据流都是连续不断的， 没有任何停顿， 因此非常适合对数据流进行流水线式处理。 所以乒乓操作常常应用于流水线式算法， 完成数据的无缝缓冲与处理。
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    乒乓操作的第二个优点是可以节约缓冲区空间。 比如在WCDMA 基带应用中，1 个帧是由15个时隙组成的， 有时需要将1 整帧的数据延时一个时隙后处理， 比较直接的办法是将这帧数据缓存起来， 然后延时1 个时隙进行处理。 这时缓冲区的长度是1 整帧数据长， 假设数据速率是3.84Mbps，1 帧长10ms， 则此时需要缓冲区长度是38400 位。

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- N( @- N; q4 ^    如果采用乒乓操作， 只需定义两个能缓冲1 个时隙数据的 RAM(单口 RAM 即可)。 当向一块RAM 写数据的时候， 从另一块 RAM 读数据， 然后送到处理单元处理， 此时每块 RAM 的容量仅需2560 位即可，2块 RAM 加起来也只有 5120 位的容量。


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    另外， 巧妙运用乒乓操作还可以达到用低速模块处理高速数据流的效果。 如图2所示， 数据缓冲模块采用了双口 RAM， 并在 DPRAM 后引入了一级数据预处理模块， 这个数据预处理可以根据需要的各种数据运算， 比如在WCDMA 设计中， 对输入数据流的解扩、 解扰、去旋转等。 假设端口 A 的输入数据流的速率为 100Mbps， 乒乓操作的缓冲周期是 10ms。 以下分析各个节点端口的数据速率。

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* \+ ~0 D5 A$ I* A    A 端口处输入数据流速率为 100Mbps， 在第1 个缓冲周期10ms 内， 通过“ 输入数据选择单元” ， 从B1 到达DPRAM1。B1 的数据速率也是100Mbps，DPRAM1 要在10ms 内写入1Mb 数据。同理， 在第2 个 10ms， 数据流被切换到DPRAM2， 端口 B2 的数据速率也是 100Mbps， DPRAM2在第 2 个 10ms 被写入 1Mb 数据。 在第 3 个 10ms， 数据流又切换到 DPRAM1， DPRAM1 被写入1Mb数据。仔细分析就会发现到第 3 个缓冲周期时，留给 DPRAM1 读取数据并送到“ 数据预处理模块 1”的时间一共是 20ms。 有的工程师困惑于 DPRAM1 的读数时间为什么是 20ms， 这个时间是这样得来的： 首先， 在在第 2 个缓冲周期向DPRAM2 写数据的 10ms 内， DPRAM1 可以进行读操作；


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) ~% V: F2 R. d) x    另外， 在第 1 个缓冲周期的第 5ms起(绝对时间为5ms 时刻)，DPRAM1 就可以一边向500K 以后的地址写数据， 一边从地址0 读数， 到达10ms 时，DPRAM1 刚好写完了1Mb 数据， 并且读了500K 数据， 这个缓冲时间内DPRAM1 读了5ms； 在第3 个缓冲周期的第5ms 起(绝对时间为35ms 时刻)， 同理可以一边向500K 以后的地址写数据一边从地址0 读数， 又读取了5 个ms， 所以截止DPRAM1 第一个周期存入的数据被完全覆盖以前，DPRAM1 最多可以读取20ms时间， 而所需读取的数据为1Mb， 所以端口C1 的数据速率为：1Mb/20ms=50Mbps。 因此， “ 数据预处理模块1” 的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50Mbps。 同理， “ 数据预处理模块2”的最低数据吞吐能力也仅仅要求为50Mbps。 换言之， 通过乒乓操作， “ 数据预处理模块”的时序压力减轻了， 所要求的数据处理速率仅仅为输入数据速率的1/2。
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    通过乒乓操作实现低速模块处理高速数据的实质是：通过DPRAM 这种缓存单元实现了数据流的串并转换， 并行用“ 数据预处理模块1” 和“ 数据预处理模块2” 处理分流的数据， 是面积与速度互换原则的体现！



二、单RAM实现乒乓操作（原创）
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    先简单说一下乒乓RAM操作的应用场合，当对数据进行处理时，如果数据来的速率比较快，而处理数据的速率相对较慢，并且在进行数据处理的时候是需要先对进来的数据做一缓冲，等数据量达到一定的程度时再集中对数据进行处理，比如FFT运算就是一个典型的例子。现拿一个64点的FFT运算来举例外说明：假设输入的原始数据的速率是5M，而ADI信号处理器的工作时钟为100M，而每处理一次64点的FFT运算需要30个系统时钟（系统时钟频率是数据速率的20倍），假如现在输入数据数已经达到64个，则信号处理器需要进行FFT运算，当FFT运算结束时，下一个数据有可能已经过了，如果不采取缓存措施，则有可能会导致数据丢失，所以，为了防止上述情况发生，可采用双RAM操作，即：用两块64个存储单元的RAM，当数据来时先对数据进行一下缓存，比如，当前64个数据来时，先把数据缓存在第一块RAM里，当第一块RAM存储满时，这时便以系统时钟速率将第一块RAM的数据给FFT信号处理器，让其完成FFT去处，并将以后的数据缓存到第二块RAM里，由于系统时钟的速率是数据速率的20倍，当第二块RAM里的数据存储满后，FFT处理器有64*20＝1280个系统时钟的工作时间，对于处理仅需94（30（FFT运算处理时间）+64（从RAM块里读出64个数据给FFT运算处理器所需的时间））个系统时钟的FFT运算来说已经足够。



图1 传统的双RAM操作框图

    但是，采用传统的双RAM块进行操作时也会存在一定的缺陷，比如，采用两块RAM会占用比较大的面积，这对集成电路的小型化发展带来不利，所以，考虑以上原因，现利用一块RAM完成双RAM乒乓操作的功能。将原来的两个RAM块合成一块，大小变为128*16bit，前64个数据存入地址为0-63的单元里，后64个数据存入64-127的单元中。结构如下图所示。
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图2 一片RAM实现双RAM乒乓操作结构图

   下图是利用ISE软件仿真的逻辑功能图

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/ D# {4 c: {! V4 x: P" O8 z. h, D& u图3 功能仿真图
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5 X- d) E$ N, W3 `    如上图所示，写地址线的操作只受输入数据的影响，而读地址线则受输入数据个数的影响，当第64个数据到来时，读地址线便从0变到63，并且将64个数据全部送入FFT处理器时，FFT处理器便在系统时钟下进行工作，当写地址线变到0时，便对64-127单元里的数据进行操作，如此循环，便实现一片RAM的双RAM乒乓操作功能。

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