基于FPGA的FIFO設計和應用

狀態機是SDRAM控制器的核心控制模塊，其作用主要有兩個方面：其一是對各模塊發出的操作請求進行仲裁，在適當的時刻作出反映，發出對SDRAM適當的控制命令；其二是協調各模塊之間的時序關系，滿足對SDRAM讀寫所必需的時序要求。狀態機的狀態轉移如圖3所示。

在模式設定之后，BANK和行地址選中需要訪問數據所在的具體BANK塊和行，狀態機對這一行發出激活命令，從激活到讀寫操作需要經過一個tRCD的延時，設計中選tRCD=20 ns，而系統時鐘周期為9．26 ns，所以從激活到執行讀寫操作之間至少需要3個時鐘周期。在執行讀寫操作時，只要狀態機通過讀寫命令選中數據所在行的列地址，就能達到讀寫具體存儲單元的目的。狀態機對SDRAM發出一個讀命令后，需要等待一個CAS latency，然后才能讀數據；而寫操作是實時的，不需要延時，狀態機在發出寫命令后，就可以對SDRAM進行寫操作。SDRAM同時只允許一行地址激活，因此在完成某BANK／ROW的讀寫操作后，對該BANK／ROW進行預充電，然后才能激活下一個BANK／ROW。從預充電成功到下一次激活命令成功，如果是在同一個BANK塊，則需要延時tRC，如果是不同的BANK塊，則需要延時tRRD。
SDRAM要求在64 ms之內對4 096行進行刷新，也就是每15．625μs刷新一行。由于系統時鐘周期為9．26 ns，所以刷新模塊計數達到1 685時，就需要對SDRAM發出刷新命令，保證SDRAM中的數據不丟失。將自動刷新請求設為優先請求，狀態機內部有請求仲裁邏輯，當自動刷新請求和其他請求同時出現時，優先保證自動刷新請求，狀態轉移至刷新操作，當刷新操作結束時，重新返回空閑狀態，開始響應其他請求。

3 工程應用介紹
該設計目的是為了擴展TMS320DM642的FIFO容量，以FPGA為接口，實現與SDRAM的連接。TMS320DM642可以對4 GB的地址進行尋址，而實際應用中FIFO的容量只有256 KB，尋址空間為0x0184000~0x0187FFFF，因此在實際應用中必須進行擴展。這里采用1片MICRON公司的MT48LC4M3282型號的128 Mb SDRAM，采用32位數據總線，將其通過FPGA配置在TMS320DM642處理器的EMIFA CE3上，其地址范圍為0xB0000000～0xB7FFFFFF。在該設計中，突發長度為8，CAS latency為3。圖4為用Modelsim SE 6．0仿真的SDRAM讀時序圖。

4 結 語
該設計已應用于目標識別與跟蹤系統中的幀緩沖。文中主要介紹了SDRAM的具體信號關系，說明各種操作命令，給出在高速圖像存儲系統中SDRAM控制器的具體硬件接口設計。大容量存儲器是FIFO的發展方向，從現在通用的SDRAM、專用的SRAM，到DDR SDRAM，容量越來越大，速度也越來越快，而用FPGA作為SDRAM的控制器，具有最大的靈活性，也能在最大限度上發揮SDRAM高速度的優勢，因此對它進行研究具有重要的意義。