1 引言

隨著數字信號處理技術的不斷發展，大容量可編程邏輯器件的不斷涌現，FPGA技術越來越多地應用在大規模集成電路設計中。在此硬件系統設計中，經常會遇到需要大容量的數據存儲的情況，下面我們將針對FPGA中內部BlockRAM有限的缺點，提出了將FPGA與外部SRAM相結合來改進設計的方法，并給出了部分VHDL程序。

2 硬件設計

這里將主要討論以Xilinx公司的FPGA（XC2S600E-6fg456）和ISSI公司的SRAM（IS61LV25616AL）為主要器件來完成大容量數據存儲的設計思路。

FPGA即現場可編程門陣列,其結構與傳統的門陣列相似,大量的可編程邏輯塊( CLB , Configurable Logic Block ) 在芯片中央按矩陣排列,芯片四周為可編程輸入/輸出塊( IOB , Input / Output Block),CLB行列之間及CLB和IOB之間具有可編程的互連資源(ICR,InterConnectResource)。CLB、IOB和ICR都由分布在芯片中的SRAM靜態存儲單元控制,SRAM中的數據決定FPGA的功能,這些數據可以在系統加電時自動或由命令控制從外部存儲器裝入。

在進行數據存儲時，可直接將數據寫入FPGA內部的BlockRAM中，在一定程度上減少了FPGA的資源分配。但FPGA內部自帶的RAM塊畢竟是有限的，當需進行大容量數據存儲時這有限的RAM塊是遠遠不能滿足系統設計要求的。此時，就需要將FPGA與外部RAM相結合完成大容量數據存儲。具體硬件電路如圖一所示：


3 IS61LV25616AL功能簡介

IS61LV25616AL是IntegratedSiliconSolution公司（ISSI）的一款容量為256K×16的且引腳功能完全兼容的4Mb的異步SRAM，可為Xilinx公司的Spartan-2E系列FPGA提供高性能、高消費比的外圍存儲。除了256K×16異步SRAM外，ISSI還提供128K×16、512K×16、256K×8、512K×8和1M×8的異步SRAM。 IS61LV25616AL引腳結構框圖如圖二所示：


3.1 主要特征

(1)工作電壓：3.3伏；
(2)訪問時間：10ns、12ns；
(3)芯片容量：256K×16；
(4)封裝形式：44引腳TSOPII封裝，也有48引腳mBGA和44引腳SOJ封裝；
(5)采用0.18μm技術制造。

3.2 引腳功能

(1)A0～A17：18位的地址輸入線；
(2)IO0～IO15：16位的三態數據輸入輸出線；
(3)寫控制線；
(4)片選信號；
(5)輸出使能信號；
(6)低字節、高字節使能信號；
(3)～(6)的控制線均為低電平有效。

3.3 控制邏輯電路設計

如圖三所示，控制邏輯由FPGA來實現。主要包括讀地址產生器、寫地址產生器、讀寫時鐘信號產生器及讀寫控制等幾部分。下面分別加以講述。

(1)寫地址產生器：由于設計時采用256K×16的SRAM，故有18位地址，寫地址產生器用18位計數器實現。靠外部時鐘驅動，每進行一次寫操作后,讀寫控制單元產生計數脈沖，使其增1，直到18位計數器計滿再循環寫入地址為0的空間。

(2)讀地址產生器同上，也采用18位計數器實現，根據系統要求，每隔一定的采樣周期將讀地址指針偏移一定偏移量，并從該位置讀取數據。

(3)讀寫地址選擇器由于讀寫地址復用管腳，因此在讀寫操作時，必須選通相應的地址。這就需要由FPGA控制芯片上的等控制信號來對SRAM進行讀寫的操作。

(4)此外，由于讀寫之間的切換，數據線上的數據在切換瞬間如不加處理會出現混亂現象。因此，為避免讀、寫操作發生沖突，數據線呈三種狀態，讀數據、寫數據及高阻態。在從寫到讀的過程中需給數據線上送高阻態。

(5)當需要對SRAM進行寫操作時，由FPGA控制產生寫地址選通信號，該選通信號為一單脈沖形式，如圖四中該脈沖下降沿觸發SRAM，告知開始對RAM進行寫操作，使FPGA輸出寫地址，同時給數據線上送數據。在寫操作期間，片選信號始終保持低電平，而寫地址選通信號上升沿到來時使寫地址計數器增1。以此類推，通過寫地址選通信號高低電平變化完成對數據依次寫入。需要注意的是，地址線和數據線在為高時可同時賦新值，但只有在變低后賦予數據線上的新值才有效。

對SRAM進行讀操作相對較簡單，在進行讀操作期間，始終為低電平，始終為高電平。每進行一次讀操作，地址按系統要求變化一次。同時注意，地址的變化時刻總要先于數據的變化時刻。圖五為RAM讀操作時序。

以下是一段用VHDL語言描述的控制RAM的讀寫操作時序的程序代碼：

程序中，在進行讀寫操作時，片選使能信號CE_SRAM及輸出使能信號OE_SRAM始終為低電平。
第０時刻到第２時刻在進行寫操作：第0時刻地址線addr_SRAM和數據線data_SRAM同時賦新值，控制線WE_SRAM、LB_SRAM、UB_SRAM要經歷一個窄脈沖的變化過程，RAM在獲取到此控制線下降沿信息后，便知開始進行寫操作。需要注意的是，雖然數據在第0時刻已賦到數據線上，但因為寫操作是控制線低電平有效，所以數據線上真正發生數據更新是在控制線變為低電平之后，因此，數據線上的實際更新時刻是在第2個時刻。

第３、４狀態是進行讀操作：在讀寫轉換時刻，也就是在第３時刻如前所述需給數據線上送高阻態。這樣，讀取數據的時序關系由系統時鐘進行控制，在第3時刻給地址線上送要讀取的地址，第4時刻將數據端口上的數據送出。這里需注意的是，讀取數據要比讀取地址晚一個時刻。從而，完成了對外部RAM的讀寫操作控制。

４結論

該系統已應用在羅蘭—Ｃ導航接收機的信號處理中。實驗證明，此設計可靠穩定地完成了大容量高速異步數據存儲，進一步提高了系統的性能。