FPGA在數(shù)據(jù)重排中的跨時(shí)鐘處理

游斌相 廖育富 任午龍 馬 婕

(四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 四川綿陽(yáng) 621000)

0 引言

數(shù)據(jù)重排算法是雷達(dá)信號(hào)處理[1]中最常用的算法之一，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排，首先需要把數(shù)據(jù)緩存起來(lái)，然后根據(jù)重排順序依次讀出數(shù)據(jù)，這一過(guò)程既要求高緩存也要求高速率。DDR3 SDRAM[2]作為一種高速、高帶寬緩存器在計(jì)算機(jī)行業(yè)有著廣泛應(yīng)用，正好符合數(shù)據(jù)重排高速高緩存的要求。FPGA是當(dāng)前雷達(dá)信號(hào)處理[3-4]最常用的處理器之一，能很好地滿(mǎn)足大帶寬、高采樣率及多通道信號(hào)處理等要求。在FPGA上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排算法過(guò)程中，會(huì)遇到跨多時(shí)鐘域問(wèn)題，既有邏輯時(shí)鐘域，也有DDR時(shí)鐘域，還有傳輸接口時(shí)鐘域，處理好跨時(shí)鐘域問(wèn)題，也是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排的關(guān)鍵。

1 數(shù)據(jù)重排設(shè)計(jì)

1.1 快時(shí)間采樣與慢時(shí)間采樣

在脈沖體制雷達(dá)中[5]，通常會(huì)連續(xù)發(fā)射多個(gè)脈沖信號(hào)構(gòu)成一個(gè)脈沖序列，脈沖之間的時(shí)間間隔為PRI(Pulse Repetition Interval)，其導(dǎo)數(shù)就是脈沖重復(fù)頻率PRF(Pulse Repetition Frequency)。針對(duì)一個(gè)脈沖回波的采樣稱(chēng)為快時(shí)間采樣?？鞎r(shí)間采樣間隔為T(mén)s，是采樣率的導(dǎo)數(shù)，距離單元間隔為ΔR=cTs/2。針對(duì)多個(gè)脈沖回波等距離維的采樣稱(chēng)為慢時(shí)間采樣，采集數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間為M·PRI，通常稱(chēng)為相參處理時(shí)間(CPI：Coherent Processing Interval)。例如以M個(gè)脈沖作為一個(gè)序列，每個(gè)脈沖有N個(gè)采樣點(diǎn)，其快時(shí)間采樣和慢時(shí)間采樣如圖1所示。

圖1 快時(shí)間采樣與慢時(shí)間采樣

1.2 數(shù)據(jù)重排基本原理

數(shù)據(jù)重排[6]通常以一個(gè)CPI為周期進(jìn)行處理，假設(shè)一個(gè)CPI時(shí)間段內(nèi)有M個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖有N個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，則數(shù)據(jù)重排前后順序關(guān)系如圖2所示。數(shù)據(jù)重排前的順序如圖2(a)所示，脈沖內(nèi)的先后關(guān)系同慢時(shí)間采樣，脈沖間的排序規(guī)則與脈沖先后關(guān)系有關(guān)，先接收到脈沖回波排序靠前，后接收到脈沖回波排序則靠后。數(shù)據(jù)重排后的順序如圖2(b)所示，其排序規(guī)則同慢時(shí)間采樣，距離單元小的排序靠前，距離單元大的則靠后。

圖2 數(shù)據(jù)重排前后關(guān)系

1.3 數(shù)據(jù)重排實(shí)現(xiàn)過(guò)程

要實(shí)現(xiàn)慢時(shí)間采樣或數(shù)據(jù)重排，必須先把所有數(shù)據(jù)提前緩存好，本設(shè)計(jì)中使用一片DDR3來(lái)做緩存，在FPGA中例化后的地址位寬為25bit，數(shù)據(jù)位寬為128bit，一個(gè)地址剛好存放和差差三個(gè)通道的IQ數(shù)據(jù)。為便于排序操作與地址控制，設(shè)計(jì)復(fù)合地址，將地址劃分為行地址和列地址，其中高8bit為列地址，低17bit為行地址。每一列存放一個(gè)脈沖數(shù)據(jù)，最多可存放256個(gè)脈沖序列，每個(gè)脈沖最多131072個(gè)數(shù)據(jù)。

圖3給出了數(shù)據(jù)重排過(guò)程中DDR地址控制流程圖，輸入數(shù)據(jù)緩存時(shí)，從第0行第0列開(kāi)始寫(xiě)入數(shù)據(jù)，寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)行地址加一，當(dāng)寫(xiě)完一個(gè)脈沖數(shù)據(jù)時(shí)，列地址加一，行地址清零，接著按照該方法寫(xiě)入第二個(gè)脈沖數(shù)據(jù)，直到一組CPI數(shù)據(jù)寫(xiě)完，然后開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時(shí)，則按照慢時(shí)間采樣規(guī)則依次從DDR3中讀出數(shù)據(jù)，從第0行第0列開(kāi)始讀出數(shù)據(jù)，保持行不變，列加一依次讀取，當(dāng)完成一次慢時(shí)間采樣讀取時(shí)，行加一，列清零，然后接著往后讀取數(shù)據(jù)，直到所有數(shù)據(jù)讀完。

圖3 DDR地址控制流程圖

2 FPGA跨時(shí)鐘處理

跨時(shí)鐘域處理[7-8]是FPGA信號(hào)處理的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果處理不當(dāng)，就會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)[9]，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)，最終得到一個(gè)錯(cuò)誤的結(jié)果。本方案中涉及了三個(gè)不同時(shí)鐘域，分別是用戶(hù)邏輯時(shí)鐘user_clk，DDR時(shí)鐘ddr_clk以及PCIe時(shí)鐘pcie_clk。其中，用戶(hù)邏輯時(shí)鐘頻率高達(dá)240MHz，該時(shí)鐘域主要負(fù)責(zé)信號(hào)處理；DDR時(shí)鐘頻率有200MHz，略小于用戶(hù)邏輯時(shí)鐘，該時(shí)鐘域負(fù)責(zé)DDR模塊的讀寫(xiě)操作；PCIe時(shí)鐘頻率最小，僅有125MHz，該時(shí)鐘域負(fù)責(zé)PCIe模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制。

圖4給出了跨多時(shí)鐘域處理的邏輯框架圖，共包含三個(gè)模塊，分別是：PCIe控制模塊、信號(hào)處理模塊及DDR控制模塊。整體采用流水線方案設(shè)計(jì)，極大提高了信號(hào)處理及傳輸效率。

圖4 跨多時(shí)鐘域處理邏輯框架圖

信號(hào)從信號(hào)處理模塊出發(fā)，首先通過(guò)異步FIFO寫(xiě)入到DDR3中。對(duì)該異步寫(xiě)FIFO來(lái)說(shuō)，寫(xiě)入時(shí)鐘大于讀取時(shí)鐘，所以寫(xiě)入數(shù)據(jù)的速度大于讀取數(shù)據(jù)的速度，為避免丟失數(shù)據(jù)，需要一個(gè)狀態(tài)反壓信號(hào)。當(dāng)該FIFO即將寫(xiě)滿(mǎn)時(shí)，把wr_pfull信號(hào)拉高，并回傳給數(shù)據(jù)重排模塊，若數(shù)據(jù)重排模塊檢查到該信號(hào)為高，則停止往DDR模塊寫(xiě)入數(shù)據(jù)， 等到wr_pfull為低時(shí)，再繼續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。當(dāng)所有數(shù)據(jù)都寫(xiě)入DDR后，再根據(jù)數(shù)據(jù)重排規(guī)則，依次從DDR3中讀出數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)通過(guò)異步FIFO做跨時(shí)鐘域處理后，再傳輸?shù)叫盘?hào)處理模塊做打包處理。

數(shù)據(jù)打包模塊會(huì)提前準(zhǔn)備好幀頭，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，將幀頭與數(shù)據(jù)拼接到一起，然后發(fā)送給PCIe模塊。PCIe接收端首先是個(gè)異步FIFO，該FIFO的讀時(shí)鐘比寫(xiě)時(shí)鐘慢，為避免丟失數(shù)據(jù)，同樣需要一個(gè)反壓信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)打包模塊接收到PCIe模塊回傳的反壓信號(hào)時(shí)，暫停發(fā)送數(shù)據(jù)，同時(shí)將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)重排模塊，讓其停止對(duì)DDR3的讀取控制，直到wr_pull信號(hào)拉低時(shí)，再接著運(yùn)行。

PCIe模塊接收到打包數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行異步FIFO跨時(shí)鐘處理，然后經(jīng)過(guò)乒乓操作送到PCIe接口，最后發(fā)送給上位機(jī)。乒乓操作是FPGA開(kāi)發(fā)中常用的一種數(shù)據(jù)緩沖及控制技術(shù)，通過(guò)輸入、輸出選擇單元及兩個(gè)RAM的讀寫(xiě)控制，達(dá)到數(shù)據(jù)的緩沖及控制目的。

3 仿真分析

3.1 數(shù)據(jù)重排仿真

根據(jù)前文所述，模擬了一個(gè)單通道數(shù)據(jù)重排、打包及PCIe發(fā)送過(guò)程。每組CPI有16個(gè)PRF，每個(gè)PRF有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度均為300。數(shù)據(jù)重排仿真結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為數(shù)據(jù)重排整體寫(xiě)入與讀出的地址控制仿真結(jié)果，從圖中可以很明顯地看出，共輸入了16個(gè)脈沖信號(hào)，第1個(gè)脈沖寫(xiě)入第0列，第2個(gè)脈沖寫(xiě)入第1列，直到最后一個(gè)脈沖寫(xiě)入第15列，完成數(shù)據(jù)寫(xiě)入操作。圖5(b)給出了寫(xiě)忙信號(hào)時(shí)的DDR地址控制，當(dāng)忙信號(hào)到來(lái)時(shí)，暫停信號(hào)寫(xiě)入，同時(shí)保持DDR寫(xiě)入地址不變，直到忙信號(hào)結(jié)束時(shí)，再接著寫(xiě)入信號(hào)，DDR寫(xiě)入也跟著地址同步變化。圖5(c)和圖5(d)給出了數(shù)據(jù)重排輸出地址控制的仿真結(jié)果圖，按行讀取，每一行讀取16個(gè)數(shù)據(jù)，直到300行數(shù)據(jù)讀取完成。圖5(e)為讀取忙信號(hào)時(shí)的DDR地址控制，當(dāng)讀取忙信號(hào)到來(lái)時(shí)，停止數(shù)據(jù)讀取，保持DDR讀取地址不變，直到忙信號(hào)結(jié)束后，再接著讀取相關(guān)信號(hào)。

圖5 數(shù)據(jù)重排寫(xiě)入與讀出

3.2 數(shù)據(jù)打包仿真

數(shù)據(jù)打包模塊仿真如圖6所示，圖6(a)給出了數(shù)據(jù)打包模塊的輸入與輸出信號(hào)，輸入信號(hào)為數(shù)據(jù)重排后的信號(hào)，輸出數(shù)據(jù)為打包后的信號(hào)。圖6(b)為輸入PCIe忙信號(hào)時(shí)的仿真圖，當(dāng)輸入PCIe忙信號(hào)拉高時(shí)，輸出數(shù)據(jù)保持不變，直到忙信號(hào)拉低后，繼續(xù)輸出。圖6(c)給出了打包忙信號(hào)拉高時(shí)的仿真時(shí)序圖，當(dāng)打包信號(hào)忙時(shí)，信號(hào)會(huì)暫停輸入，直到忙信號(hào)結(jié)束才繼續(xù)輸入信號(hào)。

圖6 數(shù)據(jù)打包輸入及輸出

3.3 乒乓操作仿真

打包后的數(shù)據(jù)通過(guò)異步FIFO和乒乓操作后會(huì)傳輸?shù)絇CIe模塊，最后通過(guò)PCIe接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端。圖7給出了乒乓讀寫(xiě)的仿真結(jié)果圖，兩個(gè)ram讀寫(xiě)地址相同，當(dāng)flag_rd_ram為1時(shí)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)到ram0，同時(shí)輸出ram1的結(jié)果；當(dāng)flag_rd_ram為0時(shí)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)到ram1，同時(shí)輸出ram0的結(jié)果。

圖7 乒乓讀寫(xiě)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)的實(shí)際需求，基于FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)并利用DDR3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重排算法邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)包含：PCIe控制模塊、信號(hào)處理模塊及DDR控制模塊。整體采用流水線方案設(shè)計(jì)，結(jié)合信號(hào)反壓等跨多時(shí)鐘域處理方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)重排算法的邏輯設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真分析和板級(jí)實(shí)測(cè)，滿(mǎn)足項(xiàng)目實(shí)際使用需求。同時(shí)，該設(shè)計(jì)方案有望在類(lèi)似的雷達(dá)系統(tǒng)中推廣使用。