1 引言

　　随着数字信号处理技术的不断发展,大容量可编程逻辑器件的不断涌现,FPGA技术越来越多地应用在大规模集成电路设计中。在此硬件系统设计中,经常会遇到需要大容量的数据存储的情况,下面我们将针对FPGA中内部Block RAM有限的缺点,提出了将FPGA与外部SRAM相结合来改进设计的方法,并给出了部分VHDL程序。 

       2 硬件设计

　　这里将主要讨论以Xilinx公司的 FPGA（XC2S600E-6fg456）和ISSI公司的SRAM（IS61LV25616AL）为主要器件来完成大容量数据存储的设计思路。

　　FPGA即现场可编程门阵列,其结构与传统的门阵列相似,大量的可编程逻辑块( CLB ,  Configurable  Logic  Block  )  在芯片中央按矩阵排列,芯片四周为可编程输入/输出块( IOB ,  Input / Output  Block),CLB行列之间及CLB和IOB之间具有可编程的互连资源(ICR, Inter Connect Resource)。CLB、IOB和ICR都由分布在芯片中的SRAM静态存储单元控制,SRAM中的数据决定FPGA的功能,这些数据可以在系统加电时自动或由命令控制从外部存储器装入 。

　　在进行数据存储时,可直接将数据写入FPGA内部的Block RAM中,在一定程度上减少了FPGA的资源分配。但FPGA内部自带的RAM块毕竟是有限的,当需进行大容量数据存储时这有限的RAM块是远远不能满足系统设计要求的。此时,就需要将FPGA与外部RAM相结合完成大容量数据存储。具体硬件电路如图一所示：                                   

       3 IS61LV25616AL功能简介
　　
　　IS61LV25616AL是Integrated Silicon Solution 公司（ISSI）的一款容量为256K×16的且引脚功能完全兼容的4Mb的异步SRAM,可为Xilinx公司的Spartan-2E系列FPGA提供高性能、高消费比的外围存储。除了256K×16异步SRAM外,ISSI还提供128K×16、512K×16、256K×8、512K×8和1M×8的异步SRAM。 IS61LV25616AL引脚结构框图如图二所示：                         

       3.1主要特征

       (1)工作电压：3.3伏;
       (2)访问时间：10ns、12ns;
       (3)芯片容量：256K×16;
       (4)封装形式： 44引脚TSOPII封装

,也有48引脚mBGA和44引脚SOJ封装;
       (5)采用0.18μm技术制造。 

       3.2引脚功能

       (1)A0～A17：18位的地址输入线;;
       (2)IO0～IO15：16位的三态数据输入输出线;
       (3) 写控制线;;
       (4) 片选信号;
       (5) 输出使能信号;
       (6) 低字节、高字节使能信号; 
       (3)～(6)的控制线均为低电平有效。

       3.3控制逻辑电路设计                          

　　如图三所示,控制逻辑由FPGA来实现。主要包括读地址产生器、写地址产生器、读写时钟信号产生器及读写控制等几部分。下面分别加以讲述。   

　　(1)写地址产生器：由于设计时采用256K×16 的SRAM,故有18位地址,写地址产生器用18位计数器实现。靠外部时钟驱动,每进行一次写操作后,读写控制单元产生计数脉冲,使其增1,直到18位计数器计满再循环写入地址为0的空间。

　　(2)读地址产生器同上,也采用18位计数器实现,根据系统要求,每隔一定的采样周期将读地址指针偏移一定偏移量,并从该位置读取数据。

　　(3)读写地址选择器由于读写地址复用管脚,因此在读写操作时,必须选通相应的地址。这就需要由FPGA控制芯片上的等控制信号来对SRAM进行读写的操作。

　　(4)此外,由于读写之间的切换,数据线上的数据在切换瞬间如不加处理会出现混乱现象。因此,为避免读、写操作发生冲突,数据线呈三种状态,读数据、写数据及高阻态。在从写到读的过程中需给数据线上送高阻态。　　

　　(5) 当需要对SRAM进行写操作时,由FPGA控制产生写地址选通信号,该选通信号为一单脉冲形式,如图四中该脉冲下降沿触发SRAM,告知开始对RAM进行写操作,使FPGA输出写地址,同时给数据线上送数据。在写操作期间, 片选信号始终保持低电平,而写地址选通信号上升沿到来时使写地址计数器增1。以此类推,通过写地址选通信号高低电平变化完成对数据依次写入。需要注意的是,地址线和数据线在为高时可同时赋新值,但只有在 变低后赋予数据线上的新值才有效。 

　　对SRAM进行读操作相对较简单,在进行读操作期间,始终为低电平, 始终为高电平。每进行一次读操作,地址按系统要求变化一次。同时注意,地址的变化时刻总要先于数据的变化时刻。图五为RAM读操作时序。  

　　以下是一段用VHDL语言描述的控制RAM的读写操作时序的程序代码：

   

       程序中,在进行读写操作时,片选使能信号CE_SRAM及输出使能信号OE_SRAM始终为低电平。

　　第０时刻到第２时刻在进行写操作：第0时刻地址线addr_SRAM和数据线data_SRAM同时赋新值,控制线WE_SRAM 、LB_SRAM、 UB_SRAM要经历一个窄脉冲的变化过程, RAM在获取到此控制线下降沿信息后,便知开始进行写操作。需要注意的是,虽然数据在第0时刻已赋到数据线上,但因为写操作是控制线低电平有效,所以数据线上真正发生数据更新是在控制线变为低电平之后,因此,数据线上的实际更新时刻是在第2个时刻。 

　　第３、４状态是进行读操作：在读写转换时刻,也就是在第３时刻如前所述需给数据线上送高阻态。这样,读取数据的时序关系由系统时钟进行控制,在第3时刻给地址线上送要读取的地址,第4时刻将数据端口上的数据送出。这里需注意的是,读取数据要比读取地址晚一个时刻。从而,完成了对外部RAM的读写操作控制。

       ４结论

　　该系统已应用在罗兰—Ｃ导航接收机的信号处理中。实验证明,此设计可靠稳定地完成了大容量高速异步数据存储,进一步提高了系统的性能。