一種并行異步FIFO控制算法設(shè)計(jì)

劉鳳偉

(昆明船舶設(shè)備試驗(yàn)研究中心，昆明650051)

1 引言

在電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，常常需要對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、存儲(chǔ)和發(fā)送。例如在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，需要通過(guò)高速AD、微處理器和一些接口電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集［1］。但是由于不同電路/系統(tǒng)之間的工作時(shí)鐘速度不同，通常會(huì)給數(shù)據(jù)的傳輸帶來(lái)困難，而利用FIFO電路實(shí)現(xiàn)不同時(shí)鐘域數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)和發(fā)送具有接口簡(jiǎn)單、讀寫方便的優(yōu)點(diǎn)，使用異步FIFO是有效解決在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的方法［2］。在此提出了一種FIFO控制算法，具有工作速度高、可靠性好、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活的優(yōu)點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

2 FIFO控制算法

FIFO控制算法，即是一種先入先出的存儲(chǔ)器控制算法，其使用一個(gè)雙端口存儲(chǔ)器存放數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送方在一端寫入數(shù)據(jù)，接收方在另一端讀出數(shù)據(jù)，良好的FIFO控制算法能夠非常好的協(xié)調(diào)兩個(gè)時(shí)鐘域的讀/寫工作，滿足高時(shí)鐘頻率的要求。在FIFO設(shè)計(jì)中，有軟件FIFO和硬件FIFO，常用的硬件FIFO由專用的ASIC芯片組成，提供外部接口，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)控制，例如IDT公司的7200系列異步雙口FIFO存儲(chǔ)器［3］。根據(jù)FIFO的工作時(shí)鐘，可將FIFO分為同步FIFO和異步FIFO，同步FIFO是指讀/寫時(shí)鐘是同一個(gè)時(shí)鐘，在時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作，異步FIFO是指讀/寫時(shí)鐘不是同一個(gè)時(shí)鐘，而是相互獨(dú)立的，在時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)分別對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作［4］。

FIFO控制算法包括兩部分:寫FIFO算法和讀FIFO算法。以下將詳細(xì)分別介紹這兩種算法。為了更好地理解這兩種算法，首先定義與這兩種算法相關(guān)的控制參數(shù)，其中包括:Flag:標(biāo)志位;CW Enable:寫使能;CREnable:讀使能;CWNum:當(dāng)前能夠讀取數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù);CRNum:當(dāng)前能夠?qū)懭霐?shù)據(jù)的個(gè)數(shù);CurWNum:當(dāng)前寫指針相對(duì)于首地址的位置;CurRNum:當(dāng)前讀指針相對(duì)于首地址的位置;WFull:寫存儲(chǔ)器滿標(biāo)志;REmpty:讀存儲(chǔ)器空標(biāo)志;Len:存儲(chǔ)器深度;DAT［Len］:定義的存儲(chǔ)器空間。

在對(duì)FIFO操作前，需要首先初始化系統(tǒng)。包括初始化FIFO的控制參數(shù)和存儲(chǔ)器。初始化FIFO的控制參數(shù):Flag=0;CWEnable=1;CREnable=1;CWNum=0;CRNum=0;CurWNum=0;CurRNum=0;WFull=0;REmpty=0;初始化存儲(chǔ)器:存儲(chǔ)器深度:Len;存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間:DAT［Len］。

2.1 寫FIFO控制算法

寫FIFO的控制算法:如圖1所示，首先，判斷寫使能CWEnable是否等于1，等于1說(shuō)明此時(shí)可以進(jìn)行寫操作，不等于1，則說(shuō)明此時(shí)不能進(jìn)行寫操作，則退出。然后根據(jù)標(biāo)志位Flag的狀態(tài)，計(jì)算出此時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)CWNum;然后判斷CWNum是否大于0。如果不大于0，則說(shuō)明此時(shí)存儲(chǔ)器不能寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)置WFull為1，表示存儲(chǔ)器已經(jīng)寫滿，然后結(jié)束寫FIFO操作，如果大于0，則說(shuō)明此時(shí)存儲(chǔ)器可以寫入數(shù)據(jù);緊接著把數(shù)據(jù)寫入地址為CurWNum的存儲(chǔ)器中;其次判斷CurWNum是否等于Len，如果不等于Len則說(shuō)明還沒(méi)有寫到存儲(chǔ)器的頂端，然后結(jié)束寫FIFO操作，如果等于Len則說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)寫到了存儲(chǔ)器的頂端，此時(shí)需要禁止標(biāo)志位CREnable使其等于0(禁止讀FIFO操作)，然后改寫標(biāo)志位Flag為1和CurWNum為0，緊接著釋放讀標(biāo)志位CREnable等于1;最后結(jié)束寫FIFO操作。

圖1 寫FIFO的流程圖

2.2 讀FIFO控制算法

讀FIFO的控制算法流程:如圖2所示，首先判斷讀使能CREnable是否等于1，等于1說(shuō)明此時(shí)可以進(jìn)行讀操作，不等于1則說(shuō)明此時(shí)不能進(jìn)行讀操作，則退出。然后根據(jù)標(biāo)志位Flag的狀態(tài)，計(jì)算出此時(shí)可以讀出數(shù)據(jù)的總個(gè)數(shù)CRNum;然后判斷CRNum是否大于0，如果不大于0，則說(shuō)明此時(shí)不能從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)置REmpty為1，表示存儲(chǔ)器已經(jīng)讀空，然后結(jié)束讀FIFO操作。如果大于0，則說(shuō)明此時(shí)可以從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù);緊接著從地址為CurRNum的存儲(chǔ)器中讀取數(shù)據(jù);其次判斷CurRNum是否等于Len，如果不等于Len，則說(shuō)明還沒(méi)有讀到存儲(chǔ)器的頂端，然后結(jié)束讀FIFO操作，如果等于Len，則說(shuō)明此時(shí)已經(jīng)讀取到了存儲(chǔ)器的頂端，此時(shí)需要禁止寫標(biāo)志位CWEnable使其等于0(禁止寫FIFO操作)，然后改寫標(biāo)志位Flag為0和CurRNum為0，緊接著釋放寫標(biāo)志位CWEnable等于1，最后結(jié)束讀FIFO操作。

3 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)果分析

在第二節(jié)中，分別詳細(xì)介紹了寫FIFO的控制算法和讀FIFO的控制算法。為了驗(yàn)證該控制算法的系統(tǒng)性能和指標(biāo)，根據(jù)系統(tǒng)需求，搭建了硬件測(cè)試平臺(tái)，硬件包括:多通道數(shù)據(jù)采集板、PC機(jī)、USBRS232轉(zhuǎn)接器、示波器和萬(wàn)用表;系統(tǒng)軟件:Microsoft Visual C++6.0開(kāi)發(fā)的專用上位機(jī)軟件，測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖2 讀FIFO的流程圖

圖3 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

測(cè)試結(jié)果表明，運(yùn)用該FIFO控制算法的多通道數(shù)據(jù)采集板性能穩(wěn)定可靠。該FIFO控制算法設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠，適用于多種FIFO運(yùn)用場(chǎng)合，對(duì)更高性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

［1］ 高禮忠.FIFO在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中應(yīng)用［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2005(1):51.

［2］ 魏欣，王勇.一種高效的異步FIFO設(shè)計(jì)方法［J］.儀器儀表用戶，2009，16(1):102.

［3］ 戴志濤.PCI總線雙向FIFO緩沖并行通信的實(shí)現(xiàn)［J］.微處理機(jī)，2002，(3):53-55，64..

［4］ 李輝，王暉.基于VHDL的異步FIFO設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(14):154.