秦鴻剛，劉京科，吳 迪

（煤炭科學(xué)研究總院 西安研究院，陜西 西安 710054）

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，大量的高速數(shù)據(jù)采集和在線測試對現(xiàn)代工業(yè)測控系統(tǒng)和儀器儀表的功能和性能提更高要求。CPU并行工作（雙單片機系統(tǒng)）方式得到廣泛應(yīng)用。為了使2個單片機能夠快速有效交換信息，充分利用系統(tǒng)資源，采用雙口RAM實現(xiàn)存儲器共享是目前較為流行的方法。

大容量、高速FPGA器件具有集成度高、體積小、靈活可重配置、實驗風(fēng)險小等優(yōu)點，在復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1]。數(shù)字電路設(shè)計采用1片F(xiàn)PGA器件、存儲設(shè)備和一些電氣接口匹配電路的解決方案已成為主流選擇方案。用FPGA來實現(xiàn)雙口RAM的功能可以很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性使得基于FPGA的雙口RAM易于進行修改、測試及系統(tǒng)升級，可降低設(shè)計成本，縮短開發(fā)周期。

1 雙口RAM簡介

雙口RAM是在1個SRAM存儲器上具有兩套完全獨立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫控制線，并允許兩個獨立的系統(tǒng)同時對其進行隨機性訪問的存儲器，即共享式多端口存儲器。雙口RAM最大的特點是存儲數(shù)據(jù)共享。1個存儲器配備兩套獨立的地址、數(shù)據(jù)和控制線，允許兩個獨立的CPU或控制器同時異步地訪問存儲單元。因為數(shù)據(jù)共享，則必須具有訪問仲裁控制。內(nèi)部仲裁邏輯控制提供以下功能：對同一地址單元訪問的時序控制；存儲單元數(shù)據(jù)塊的訪問權(quán)限分配；信令交換邏輯（例如中斷信號）等。雙口RAM可用于提高RAM的吞吐率，適用于實時數(shù)據(jù)緩存。

CY7C006A[2]是Cypress公司生產(chǎn)的16 kb×8高速雙口靜態(tài)RAM，存取速度小于20 ns。該器件具有真正的雙端口，可以同時進行數(shù)據(jù)存取，兩個端口具有獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，另外通過主/從選擇可以方便地擴存儲容量和數(shù)據(jù)寬度。通過器件的信號量標(biāo)志器，左、右兩端口可以實現(xiàn)器件資源共享。

2 雙口RAM在FPGA中的實現(xiàn)

本設(shè)計采用自頂而下的設(shè)計思想。選用Xilinx公司的Spartan-6 FPGA器件，基于低功耗 45 nm、9-金屬銅層、雙柵極氧化層工藝技術(shù)，提供高級功耗管理技術(shù)，150 000個邏輯單元，集成式 PCI Express模塊，高級存儲器支持，250 MHz DSP slice和3.125 Gb/s低功耗收發(fā)器。通過Verilog HDL語言對雙口RAM功能的描述就能在一片F(xiàn)PGA器件內(nèi)實現(xiàn)8位16字節(jié)的雙口RAM，并進行讀寫操作控制[3-4]。雙口RAM讀寫操作控制Verilog HDL代碼如下：

圖1是雙口RAM的Verilog HDL代碼在Xilinx ISE中綜合后的寄存器傳輸級電路圖。

圖1 寄存器傳輸級電路

功能仿真的是Xilinx公司已經(jīng)建立自己的編譯庫的Modelsim XEⅢ6.2c軟件，仿真結(jié)果如圖2所示，滿足設(shè)計要求。

圖2 雙口RAM功能仿真結(jié)果

經(jīng)Xilinx ISE軟件綜合實現(xiàn)設(shè)計，生成可下載的比特流，將其下載到FPGA中，實現(xiàn)雙口RAM的功能。FPGA器件內(nèi)部具有豐富的資源，可以在實現(xiàn)雙口RAM基本功能的基礎(chǔ)上。滿足系統(tǒng)設(shè)計的其他需求，且靈活可配置。

3 基于FPGA的雙口RAM應(yīng)用

雙口RAM在數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[3-7]。高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，一般的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)在大數(shù)據(jù)量情況下會造成數(shù)據(jù)堵塞現(xiàn)象。在一些實時控制場合,實時算法經(jīng)常需要由幾個DSP串行或并行工作以提高系統(tǒng)的運行速度和實時性。以雙口RAM構(gòu)成的數(shù)據(jù)接口可以在兩個處理器之間進行高速可靠的信息傳輸。此外，雙口RAM可以應(yīng)用在智能總線適配卡、網(wǎng)絡(luò)適配卡中作為高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?。在許多寬帶信號處理領(lǐng)域（如無線通信、多媒體系統(tǒng)、衛(wèi)星通信、雷達系統(tǒng)等），F(xiàn)PGA技術(shù)已代替DSP實現(xiàn)許多前端的數(shù)字信號處理算法。用FPGA來實現(xiàn)數(shù)字信號處理能很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的數(shù)字信號處理系統(tǒng)易于修改、測試及系統(tǒng)升級，降低設(shè)計成本，縮短開發(fā)周期。任何一種自動控制系統(tǒng)都離不開數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[8-10]，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響整體系統(tǒng)的工作性能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)高速、實時發(fā)展趨勢，對數(shù)據(jù)的傳輸和控制速度提出較高要求,而采用雙口RAM可有效提高速度，解決速度匹配問題。

設(shè)計1塊數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)板，用FPGA實現(xiàn)雙口RAM功能，并且控制A/D采樣與轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)寫入雙口RAM。利用單片機控制雙口RAM的存取，構(gòu)成一個獨立的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并可以通過串行接口把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機。圖3為其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

首先，時鐘產(chǎn)生啟動信號，F(xiàn)PGA向采樣開關(guān)發(fā)出選通信號，選定模擬開關(guān)采樣，第0路模擬量進入，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)?位數(shù)字量并存儲于雙口RAM中，ADC0809反饋給FPGA內(nèi)控制電路并告知轉(zhuǎn)換完畢，F(xiàn)PGA內(nèi)控制電路再選通第1路模擬量進入，重復(fù)上述過程。經(jīng)過0.1 ms后，時鐘又產(chǎn)生一個脈沖啟動信號。FPGA又重新從第0路模擬量選通。

在時鐘脈沖信號0.1 ms過程中，F(xiàn)PGA順序通過0～7路模擬開關(guān)，在每次選通時須判斷是否為第7路模擬量，若是則FPGA不再響應(yīng)A/D反饋信號，而是等待0.1 ms的時鐘脈沖信號到達再重新開始工作。單片機用于與外部PC機通信，PC機查詢是否在雙端口RAM中有新數(shù)據(jù)，并經(jīng)接口電路讀入數(shù)據(jù)。其中雙口RAM具有2組獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制總線，可對任何一個端口進行獨立的操作。若未采用雙口RAM，F(xiàn)PGA采取中斷方式對CPU傳輸數(shù)據(jù)時，CPU就會停止當(dāng)前工作而去處理外部請求，當(dāng)處理完外部事件后再回到原來被中止處，繼續(xù)原來的工作，這樣會影響CPU的速度。因此引入雙口RAM存儲FPGA傳送來的數(shù)據(jù)，然后CPU再從雙口RAM中讀數(shù)，從而提高效率。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用基于FP-GA雙口RAM、單片機等實現(xiàn)數(shù)據(jù)運行處理和控制功能，使系統(tǒng)的通信和處理能力大大加強，保證了系統(tǒng)的實時性，可以靈活地通過多種方式控制數(shù)據(jù)讀寫。

4 結(jié)束語

本文充分利用FPGA內(nèi)部豐富的硬件資源和Verilog HDL語言的靈活性，在FPGA內(nèi)實現(xiàn)了雙口RAM的基本功能，并通過設(shè)計一塊數(shù)據(jù)采集板介紹基于FPGA技術(shù)的雙口RAM的應(yīng)用，該系統(tǒng)減小了設(shè)計電路的復(fù)雜性，增強了設(shè)計的靈活性和資源的可配置性。整個系統(tǒng)分工明確，構(gòu)成合理，具有一定的應(yīng)用價值。

[1]薛小剛，葛毅敏.Xilinx ISE 9.x FPGA/CPLD設(shè)計指南[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[2]Cypress公司.CY7C006A/CY7C007A/CY7C016A/CY7C017 ADatasheet[EB/OL].2009.http：//download.cypress.com.edgesuite.net/design_resources/datasheets/contents/cy7c006a_8.pdf?key=1249349381384.

[3]王 冠，黃 熙，王 鷹.Verilog HDL與數(shù)字電路設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4]雷曉平，羅海天.FPGA在實時嵌入式微機數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用研究，2004（6）：200-201.

[5]季 強，劉利強.雙口RAM在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].應(yīng)用科技，2004（5）：22-24.

[6]錢瑞霞.基于雙口RAM的智能數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計[J].中國儀器儀表，2001（3）：24-26.

[7]陳德明，熊列彬.雙口RAM在自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2005，13（4）：20-23.

[8]方言軍，孫 建.智能儀器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[9]胡宏平，胡 兵.基于FPGA的雙口RAM在信號采集中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2007（23）：223-225.

[10]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—數(shù)字部分[M].3版.北京：高等教育出版社，1999.