1 引言

　　FIFO（First In First Out）是一種具有先進先出存儲功能的部件，在高速數字系統當中通常用作數據緩存。在高速數據采集、傳輸和實時顯示控制領域中，往往需要對大量數據進行快速存儲和讀取，而這種先進先出的結構特點很好地適應了這些要求，是傳統RAM無法達到的。

　　許多系統都需要大容量FIFO作為緩存，但是由于成本和容量限制，常采用多個FIFO芯片級聯擴展，這往往導致系統結構復雜，成本高。本文分別針對Hynix公司的兩款SRAM和DRAM器件，介紹了使用CPLD進行接口連接和編程控制，來構成低成本、大容量、高速度FIFO的方法。該方法具有通用性，可以方便地移植到與其他RAM器件相連的應用中去。

　　2 基于SRAM的設計與實現

　　2.1 SRAM結構芯片HY64UD16322A

　　靜態隨機存取存儲器SRAM（Static Random Access Memory）是一種非常重要的易失性存儲器，它的速度非常快，并且能在快速讀取和刷新時保持數據完整性。本系統SRAM器件采用Hynix公司的HY64UD16322A。HY64UD16322A是高速、超低功耗32Mbit SRAM，內部具有2097152個16 bit字容量。采用了CMOS制造工藝、TTL電平接口以及三態輸出，具有較大的輸入電壓和溫度范圍。同時HY64UD16322A支持DPD（Deep Power Down）模式，保證其在待機模式下功耗進一步降低。

　　2.2 系統硬件設計

　　整個系統采用CPLD作為控制核心器件。CPLD選用Altera公司的MAX7128AETC100-5。MAX7128基于Altera公司第二代MAX乘積項結構，是采用CMOS EEPROM技術制造的EPLD，它集成了2500個可用門，128個宏單元以及100個I/O引腳。

　　圖1是HY64UD16322A內部結構以及與CPLD接口設計的系統連接圖。可以看出，HY64UD16322A由地址譯碼、邏輯控制模塊以及大容量存儲陣列組成。CPLD接收到FIFO控制信號，按照該SRAM讀寫時序要求完成相應的讀寫操作，再通過所構造FIFO的數據輸入輸出和狀態控制接口返回。

　　2.3 指針算法程序設計

　　系統采用CPLD作為總控制器件。根據FIFO的特點，需要將SRAM按地址存儲用程序控制成先進先出的結構。這里采用指針算法來實現這種結構設計：設置兩個指針變量StartPos和EndPos，分別作為進入數據頭尾指針。當有新數據寫入時，數據從上一次存儲最后位置的下一個位置開始存放，存入一個數據，EndPos就自動加1，保持與最后數據位置同步。當EndPos超過整個RAM 的最大容量（RAM_SIZE）時，就需要循環返回，從0x000位置存放，一直到EndPos與StartPos重合，這時可以認為RAM 已經存滿。同理，讀出數據時，起始位置StartPos自動加1。當StartPos超過整個RAM 的最大容量時，就從0x000位置讀取，一直到StartPos與EndPos重合，這時可以認為RAM 已經讀空。在這兩個過程當中，CPLD需要對地址線進行控制。不難發現，寫數據的時候Address與EndPos一致。讀數據的時候Address與StartPos一致。圖2是整個系統寫和讀時序控制的流程圖。

　　2.4 時序控制

　　寫入數據的時候，CPLD需要模擬FIFO基本的寫操作時序：CPLD接收到nWEN（寫使能，低有效）和WCLK（寫時鐘，上升沿有效），即當nWEN為低，WCLK為上升沿時，將當前I/O上的數據寫入。在數據寫入RAM 的時候，CPLD應按照HY64UD16322A的寫時序來控制寫操作。這里，CPLD首先按照上述流程計算出當前數據應存放的地址，然后控制nWE信號，nWE為低時，數據自動寫入RAM。然后再寫下一位數據。整個寫時序如圖3所示。

　　同理，CPLD接收到nREN（讀使能，低有效）和RLCK （讀時鐘，上升沿有效）時，將最先寫入的數據讀出。這里，CPLD首先按照讀數據流程計算出當前讀出數據存放地址，然后控制nOE信號（低電平有效）。數據自動讀出RAM。然后再進行下一位數據讀出操作。

　　可以看出，影響所構建FIFO讀寫速度的關鍵因素是twc，該參數也是決定HY64UD16322A速度的主要因素，因此，所構建FIFO的理論速率應該接近HY64UD16322A的速率。

　　3 基于DRAM的設計與實現

　　3.1 DRAM 結構芯片HY57V281620E

　　一般來說，動態隨機存取存儲器DRAM（Dynamic Random Access Memory）是由大的矩形存儲單元陣列與用來對陣列讀和寫的支持性邏輯電路，以及維持存儲數據完整性的刷新電路組成。盡管操作較SRAM復雜，但由于DRAM具有每存儲位單元低成本和高密度的優點，使得它們成為商業領域最廣泛使用的半導體存儲器。本系統的DRAM芯片采用Hynix公司的134 217 728 bit同步DHY57V281620E。它由4塊2097 152x16 bit組成。采用了CMOS制造工藝。LVTTL電平接口。

　　3.2 系統硬件設計

　　同樣采用MAX7128AETC100-5完成系統控制。圖4是HY57V281620E內部結構以及與CPLD接口的系統連接圖。接口控制原理類似2.2所述。不同的是.HY57V281620E內部由行列地址譯碼、多塊大容量存儲單元陣列和一些邏輯控制模塊組成。

　　3.3 程序設計

　　這里，主要采用2.3中設立頭尾兩個指針的思想。與SRAM不同的是。DRAM采用的矩形存儲單元陣列是由行線和列線來控制。并且內部采用分塊結構，這里HY57V281620E由4塊存儲單元組成，通過BA1和BA0來控制。在寫數據操作的時候。當存放數據長度超過當前存儲單元容量時。需要CPLD切換至下一存儲塊進行存儲，同樣，讀操作的時候也存在這種操作，即如果StartPos或者EndPos超過了存儲塊容量。這里是2097 152，則通過一個模4計數器控制切換至下一個存儲塊。

　　3.4 時序控制

　　寫入（或讀出）數據的時候，CPLD需要模擬FIFO基本的寫（或讀）操作時序：CPLD接收到nWEN（nREN）和WCLK（RCLK），即當nWEN（nREN）為低，WCLK（RCLK）為上升沿時，將當前I/O上的數據寫入（讀出）。在數據寫入（讀出）RAM 的時候，CPLD應按照HY57V281620E器件的寫（讀）時序來控制寫（讀）操作：CPLD首先控制nRAS從高電平變至低電平，選擇行地址。再通過控制nCAS選擇列地址。這里，當寫入（或讀出）數據在同一塊當中進行，可以保持nRAS低電平，連續選擇多列數據操作（也稱作快頁模式讀寫）。當數據地址超過塊容量，則需要重新選擇行地址，然后再進行連續多列數據讀寫操作。讀寫使能控制和SRAM類似。通過nOE和BWE（低有效）來控制。

　　圖5是DRAM主要讀寫控制時序。可以看出，影響所構建FIFO讀寫速度的主要因素是tpc，這也是決定DRAM速率的關鍵所在。因此，所構建FIFO的理論速度也應該接近DRAM最高頻率。同時，還必須考慮DRAM 的刷新操作。這里，系統采用nCAS先于nRAS的方式（CBR），即控制nCS、nCAS、nRAS，并保持nWE為高電平，利用芯片內部計數器決定要被刷新的行。HY57V281620E提供了這種自刷新模式，刷新速率由tref來決定，通常為64 ms。在系統或某存儲塊長時間無操作的情況下，需要定時刷新。以保持數據完整。

　　4 實驗結果和分析

　　圖6是用QuartusII4.0根據2.3中設立的頭尾指針算法設計仿真出來的時序波形。

　　可以看出。系統從0x000底開始寫數據。當寫入3個數據時，EndPos增加到0x003。再進行3個數據讀操作，即StartPos增加到0x003，此時，所構建的FIFO是讀空狀態。可以看到讀空信號Empty在這時變為高電平。達到FIFO設計所需要求。

　　還需要注意：由于所采用的RAM 只采用一個數據總線作為輸入輸出，因此在寫數據的時候不能進行讀操作。而常用FIFO器件可以同時讀寫。所以，如果要在同一時間內進行讀和寫操作，那么需要在一個FIFO讀寫時鐘周期內對RAM 進行讀寫等多個操作，這時所構建的FIFO速率將降低。

　　此外，在與DRAM構建高速FIFO時，由于存儲塊選擇需要一定時間操作。因此跨塊存儲操作在頻率較高時會影響正常的數據讀寫，出現個別數據丟失情況。而且當某段時間進行刷新操作時，有突發數據需要讀或寫，這時不允許中斷。解決這種問題的辦法是用一個I/O引腳（nREADY）標識出當前所構建的FIFO是否可讀寫，如果有上述情況發生。則nREADY為高，可以讀寫時為低。

　　常用的FIFO器件還有半滿、接近滿、接近空等狀態指示，可以在上述構建FIFO的基礎上加上簡單的邏輯控制，計算StartPos和EndPos之間的差值，根據當前是寫操作還是讀操作來指示。其他狀態信號也可以通過CPLD經由邏輯運算很方便地實現。同時，讀和寫同步時鐘可以不一致，這樣就可以很方便地構成同步或者異步兩種FIFO，具有很好的可擴展性。

　　5 結束語

　　現在。SRAM的數據傳輸速率可以達到10 ns以內，DRAM要比SRAM稍慢一些。因此。SRAM通常用于高速緩沖存儲。而DRAM則通常用來存儲較大的數據。從成本來考慮，DRAM 比SRAM成本要低得多。

　　采用本文給出的結構和設計思想。避免了以往主CPU接管RAM時的一系列復雜讀寫操作。而直接類似FIFO使用，接口簡單方便，而且避開了傳統FIFO器件容量和成本的限制。本文通過理論分析，實際電路設計調試，已成功實現用兩種不同結構的RAM構建FIFO，并應用于多個實時高速信號采集系統中。