金安

（杭州士蘭微電子股份有限公司，浙江 杭州 310012）

MEMS傳感器是采用微電子和微機(jī)械加工技術(shù)制造出來的新型傳感器。目前，加速度計(jì)已普遍用于智能終端（如智能手機(jī)）中，未來幾年，陀螺儀也將普遍應(yīng)用到智能終端中。同時(shí)，組合傳感器，如3軸加速度計(jì)+3軸磁力計(jì)，3軸加速度計(jì)+3軸陀螺儀，甚至9軸組合傳感器未來都會得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)地也會帶來數(shù)據(jù)處理量的增加。目前的加速度計(jì)、陀螺儀和磁力計(jì)等MEMS電路的數(shù)據(jù)輸出速率一般在幾赫茲到幾百赫茲之間。主系統(tǒng)處理單元一般通過串行通信接口I2C或者SPI訪問MEMS電路來獲取數(shù)據(jù)，除了需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的一些數(shù)據(jù)以外，主系統(tǒng)單元有時(shí)可能不希望頻繁地用串行接口去檢測MEMS電路狀態(tài)，看內(nèi)部數(shù)據(jù)是否已經(jīng)準(zhǔn)備好，然后讀取有效數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@樣會降低整個(gè)系統(tǒng)的工作效率。對于類似于智能手機(jī)的智能終端而言，隨著功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)處理的任務(wù)也越來越多，如何平衡將是一個(gè)問題。

針對上述情況，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)48 bit數(shù)據(jù)寬度、64級存儲深度的異步 FIFO（First In First Out），可以有效解決主系統(tǒng)單元頻繁訪問MEMS電路的問題。這個(gè)FIFO具有旁路模式、連續(xù)模式、先入先出模式和中斷模式4種工作模式，在中斷模式下，通過設(shè)置不同的條件，可以在不需要主系統(tǒng)單元干涉的情況下自動抓取一些特殊狀態(tài)的數(shù)據(jù)。這樣可以節(jié)省很多系統(tǒng)資源。

1 FIFO系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)異步FIFO[1-2]采用觸發(fā)器同步異步輸入信號來降低出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的幾率，然后地址通過格雷碼編碼方式來消除地址多位變化導(dǎo)致的空滿狀態(tài)誤判，需要用到真正的雙端口RAM。采用觸發(fā)器同步雖然可以降低亞穩(wěn)態(tài)的幾率，但也帶來了時(shí)序分析和綜合后仿真的難點(diǎn)。格雷碼帶來了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，可以通過時(shí)序邏輯的設(shè)計(jì)方式，在布局布線時(shí)插入時(shí)鐘樹來避免空滿狀態(tài)的不定。同時(shí)真正的雙端口RAM不是每個(gè)集成電路工藝線都支持的，采用偽雙端口RAM更實(shí)際，也能使設(shè)計(jì)適用范圍更廣泛。

整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)還要包括I2C和SPI接口模塊、信號處理模塊以及中斷檢測模塊，本文僅僅描述FIFO模塊。FIFO模塊的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。寫時(shí)鐘是MEMS數(shù)據(jù)采樣時(shí)鐘，讀時(shí)鐘是串口I2C或者SPI讀數(shù)據(jù)時(shí)鐘。為了消除讀寫同時(shí)進(jìn)行產(chǎn)生的沖突，增加了一個(gè)寫使能信號，其與寫時(shí)鐘同時(shí)由內(nèi)部邏輯產(chǎn)生，寫時(shí)鐘比讀時(shí)鐘優(yōu)先級高。這樣可能會引入一個(gè)問題，那就是讀寫恰好同時(shí)進(jìn)行的時(shí)候，讀的數(shù)據(jù)依然是上一個(gè)數(shù)據(jù)，但可以設(shè)置為先入先出模式，數(shù)據(jù)滿了之后不再更新，這樣就不會有這個(gè)問題。模式設(shè)置和水印閾值設(shè)置通過串口I2C或者 SPI寫入。同步雙端口 RAM采用 SMIC 0.18 μm工藝Memory Compiler綜合出來的 64×48 bit的 IP模塊，這是一個(gè)偽雙端口RAM，讀寫時(shí)鐘是共用的。48 bit數(shù)據(jù)寬度可以同時(shí)存儲3個(gè)軸的MEMS檢測數(shù)據(jù)，每個(gè)軸16 bit數(shù)據(jù)寬度，基本可以滿足目前的MEMS精度要求。

圖1 FIFO實(shí)現(xiàn)框圖

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 讀地址產(chǎn)生邏輯

讀地址產(chǎn)生邏輯，根據(jù)工作模式和FIFO的狀態(tài)，生成讀地址指針。假如讀時(shí)鐘有效，并且FIFO不為空，則讀地址加1，假如FIFO為空，則讀地址保持不變。在連續(xù)工作模式下，由于數(shù)據(jù)不斷滾動更新，當(dāng)數(shù)據(jù)滿的情況下，假如寫入有效，讀地址加1，保證讀地址指針指向最先寫入的數(shù)據(jù)地址。

2.2 寫地址產(chǎn)生邏輯

假如寫入有效，寫地址指針自動加1。通過控制RAM時(shí)鐘，在先入先出模式下，假如FIFO滿，終止寫入新的數(shù)據(jù)到RAM中，因此寫地址指針不再更新，除非重新使能整個(gè)FIFO模塊。

2.3 狀態(tài)生成邏輯

FIFO的狀態(tài)可以直接用寫地址指針減去讀地址指針來獲得，但也需要考慮到當(dāng)FIFO滿的時(shí)候，讀地址指針和寫地址指針是指向同一個(gè)地址的，這時(shí)候減出來數(shù)據(jù)就為0了。因此需要增加中間寄存器，在未滿的時(shí)候輸出減法器的數(shù)值，在滿的時(shí)候輸出全1數(shù)值。滿和空狀態(tài)信號、水印標(biāo)記信號和FIFO停止信號都由時(shí)序邏輯生成，滿信號邏輯電路圖如圖2所示，用RAM時(shí)鐘的反相信號來觸發(fā)。水印標(biāo)記可以通過設(shè)置水印的閾值來獲得，閾值范圍可以是0～63。當(dāng)FIFO的狀態(tài)值超過設(shè)置的閾值，就產(chǎn)生水印標(biāo)記中斷；當(dāng)FIFO的狀態(tài)小于設(shè)置的閾值，水印標(biāo)記中斷就清除，這可以讓主系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用場合靈活選擇。FIFO停止信號有兩種情況，在先入先出模式下，滿了之后產(chǎn)生FIFO停止信號，RAM數(shù)據(jù)停止更新；在中斷模式下，在中斷信號產(chǎn)生之前，不產(chǎn)生FIFO停止信號，中斷信號產(chǎn)生之后，根據(jù)滿狀態(tài)信號產(chǎn)生FIFO停止信號。

圖2 滿信號邏輯

3 工作模式

3.1 旁路模式

在旁路模式下，復(fù)位信號有效，F(xiàn)IFO不工作，主系統(tǒng)單元直接讀出ADC輸出的數(shù)據(jù)。

3.2 連續(xù)模式

在連續(xù)模式下，數(shù)據(jù)在FIFO里面不斷更新，相應(yīng)地，讀地址指針和寫地址指針也不斷滾動更新，讀地址指針指向最先輸入的RAM地址。在連續(xù)模式下，假如數(shù)據(jù)滿了之后，寫時(shí)鐘有效，讀地址指針和寫地址指針需要同時(shí)加1，因?yàn)樽钕鹊臄?shù)據(jù)已經(jīng)被覆蓋了。同時(shí)在寫時(shí)鐘無效的時(shí)候，讀時(shí)鐘有效，讀地址指針也要加1。

3.3 先入先出模式

在先入先出模式下，數(shù)據(jù)填充滿了就自動終止，產(chǎn)生滿中斷信號。在沒有讀時(shí)鐘的情況下，最終讀地址指針和寫地址指針將會同時(shí)指向地址0。相應(yīng)地，在未充滿的情況下，假如讀時(shí)鐘有效，最終讀地址指針和寫地址指針會同時(shí)指向中間某一個(gè)地址。

3.4 中斷模式

在中斷模式下，數(shù)據(jù)先是以連續(xù)模式工作，假如中斷信號有效，進(jìn)入先入先出模式，數(shù)據(jù)填充滿了就自動終止。工作時(shí)序圖如圖3所示，數(shù)據(jù)在未填充滿的情況下，產(chǎn)生中斷信號，數(shù)據(jù)填充滿了就產(chǎn)生終止信號，滿中斷信號置 1，數(shù)據(jù)開始讀出之后，滿中斷信號清 0，當(dāng)數(shù)據(jù)完全讀完后，空中斷信號置1。假如FIFO需要重復(fù)上面的工作流程，需要清中斷，重新啟動FIFO，在數(shù)據(jù)開始重新寫入FIFO時(shí)，空中斷信號清0。

與傳統(tǒng)的異步FIFO不同，本文實(shí)現(xiàn)了一個(gè)更加簡單、并且實(shí)際可行的FIFO結(jié)構(gòu)，操作靈活可靠。通過在MEMS信號處理電路中加入異步FIFO設(shè)計(jì)，可以更好地滿足系統(tǒng)對低功耗和操作靈活性的需求。通過DC綜合并流片驗(yàn)證，該FIFO電路已經(jīng)應(yīng)用到多個(gè)MEMS電路產(chǎn)品中，得到很好的效果。特別對于未來MEMS組合傳感器、數(shù)據(jù)量的增加以及特殊姿態(tài)的處理，引入更多靈活性的FIFO將會帶來更多的優(yōu)越性。

圖3 中斷模式時(shí)序圖

[1]于海，樊曉椏.基于FPGA異步FIFO的研究與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007（3）：210-213.

[2]劉祥遠(yuǎn)，陳書明.一種高性能的異步 FIFO結(jié)構(gòu)[J].電子學(xué)報(bào)，2007（11）：2098-2104.