基于SRAM和DRAM结构的大容量FIFO的设计

1 引言
    FIFO(First In First Out)是一种具有先进先出存储功能的部件，在高速数字系统当中通常用作数据缓存。在高速数据采集、传输和实时显示控制领域中，往往需要对大量数据进行快速存储和读取，而这种先进先出的结构特点很好地适应了这些要求，是传统RAM无法达到的。
    许多系统都需要大容量FIFO作为缓存，但是由于成本和容量限制，常采用多个FIFO芯片级联扩展，这往往导致系统结构复杂，成本高。本文分别针对Hynix公司的两款SRAM和DRAM器件，介绍了使用CPLD进行接口连接和编程控制，来构成低成本、大容量、高速度FIFO的方法。该方法具有通用性，可以方便地移植到与其他RAM器件相连的应用中去。

2 基于SRAM的设计与实现
2.1 SRAM结构芯片HY64UDl6322A
    静态随机存取存储器SRAM(Static Random Access Memory)是一种非常重要的易失性存储器，它的速度非常快，并且能在快速读取和刷新时保持数据完整性。本系统SRAM器件采用Hynix公司的HY64UDl6322A。HY64UDl6322A是高速、超低功耗32Mbit SRAM，内部具有2 097 152个16 bit字容量。采用了CMOS制造工艺、TTL电平接口以及三态输出，具有较大的输入电压和温度范围。同时HY64UDl6322A支持DPD(Deep Power Down)模式，保证其在待机模式下功耗进一步降低。
2.2 系统硬件设计
    整个系统采用CPLD作为控制核心器件。CPLD选用Altera公司的MAX7128AETCl00-5。MAX7128基于Altera公司第二代MAX乘积项结构，是采用CMOS EEPROM技术制造的EPLD，它集成了2 500个可用门，128个宏单元以及100个I/0引脚。
    图1是HY64UDl6322A内部结构以及与CPLD接口设计的系统连接图。可以看出，HY64UDl6322A由地址译码、逻辑控制模块以及大容量存储阵列组成。CPLD接收到FIFO控制信号，按照该SRAM读写时序要求完成相应的读写操作，再通过所构造FIFO的数据输入输出和状态控制接口返回。

2.3 指针算法程序设计
    系统采用CPLD作为总控制器件。根据FIFO的特点，需要将SRAM按地址存储用程序控制成先进先出的结构。这里采用指针算法来实现这种结构设计：设置两个指针变量StartPos和EndPos，分别作为进入数据头尾指针。当有新数据写入时，数据从上一次存储最后位置的下一个位置开始存放，存入一个数据，EndPos就自动加1，保持与最后数据位置同步。当EndPos超过整个RAM的最大容量(RAM_SIZE)时，就需要循环返回，从0x000位置存放，一直到EndPos与StartPos重合，这时可以认为RAM已经存满。同理，读出数据时，起始位置StartPos自动加1。当StartPos超过整个RAM的最大容量时，就从0x000位置读取，一直到StartPos与EndPos重合，这时可以认为RAM已经读空。在这两个过程当中，CPLD需要对地址线进行控制，不难发现，写数据的时候Address与EndPos一致，读数据的时候Address与StartPos一致。图2是整个系统写和读时序控制的流程图。

2.4 时序控制
    写入数据的时候，CPLD需要模拟FIFO基本的写操作时序：CPLD接收到nWEN(写使能，低有效)和WCLK(写时钟，上升沿有效)，即当nWEN为低，WCLK为上升沿时，将当前I/O上的数据写入。在数据写入RAM的时候，CPLD应按照HY64UDl6322A的写时序来控制写操作。这里，CPLD首先按照上述流程计算出当前数据应存放的地址，然后控制nWE信号，nWE为低时，数据自动写入RAM。然后再写下一位数据。整个写时序如图3所示。

    同理，CPUD接收到nREN(读使能，低有效)和RLCK(读时钟，上升沿有效)时，将最先写入的数据读出。这里，CPLD首先按照读数据流程计算出当前读出数据存放地址，然后控制nOE信号(低电平有效)，数据自动读出RAM。然后再进行下一位数据读
出操作。
    可以看出，影响所构建FIFO读写速度的关键因素是tWC，该参数也是决定HY64UDl6322A速度的主要因素，因此，所构建FI-F0的理论速率应该接近HY64UDl6322A的速率。

3 基于DRAM的设计与实现
3.1 DRAM结构芯片HY57V281620E
    一般来说，动态随机存取存储器DRAM(Dynamic Random Access Memory)是由大的矩形存储单元阵列与用来对阵列读和写的支持性逻辑电路，以及维持存储数据完整性的刷新电路组成。尽管操作较SRAM复杂，但由于DRAM具有每存储位单元低成本和高密度的优点，使得它们成为商业领域最广泛使用的半导体存储器。本系统的DRAM芯片采用Hynix公司的134 217 728 bit同步DHY57V281620E。它由4块2 097 152x16 bit组成。采用了CMOS制造工艺，LVTTL电平接口。
3.2 系统硬件设计
    同样采用MAX7128AETCl00-5完成系统控制。图4是HY57V281620E内部结构以及与CPLD接口的系统连接图。接口控制原理类似2.2所述。不同的是，HY57V281620E内部由行列地址译码、多块大容量存储单元阵列和一些逻辑控制模块组成。

3.3 程序设计
    这里，主要采用2.3中设立头尾两个指针的思想。与SRAM不同的是，DRAM采用的矩形存储单元阵列是由行线和列线来控制，并且内部采用分块结构，这里HY57V281620E由4块存储单元组成，通过BAl和BA0来控制。在写数据操作的时候，当存放数据长度超过当前存储单元容量时，需要CPLD切换至下一存储块进行存储，同样，读操作的时候也存在这种操作，即如果StartPos或者EndPos超过了存储块容量，这里是2 097 152，则通过一个模4计数器控制切换至下一个存储块。
3.4 时序控制
    写入(或读出)数据的时候，CPLD需要模拟FI-FO基本的写(或读)操作时序：CPLD接收到nWEN(nREN)和WCLK(RCLK)，即当nWEN(nREN)为低，WCLK(RCLK)为上升沿时，将当前I/O上的数据写入(读出)。在数据写入(读出)RAM的时候，CPLD应按照HY57V281620E器件的写(读)时序来控制写(读)操作：CPLD首先控制nRAS从高电平变至低电平，选择行地址。再通过控制nCAS选择列地址。这里，当写入(或读出)数据在同一块当中进行，可以保持nRAS低电平，连续选择多列数据操作(也称作快页模式读写)。当数据地址超过块容量，则需要重新选择行地址，然后再进行连续多列数据读写操作。读写使能控制和SRAM类似，通过nOE和nWE(低有效)来控制。
    图5是DRAM主要读写控制时序。可以看出，影响所构建FIFO读写速度的主要因素是tPC，这也是决定DRAM速率的关键所在，因此，所构建FIF0的理论速度也应该接近DRAM最高频率。同时，还必须考虑DRAM的刷新操作。这里，系统采用nCAS先于nRAS的方式(CBR)，即控制nCS、nCAS、nRAS，并保持nWE为高电平，利用芯片内部计数器决定要被刷新的行。HY57V281620E提供了这种自刷新模式，刷新速率由tREF来决定，通常为64 ms。在系统或某存储块长时间无操作的情况下，需要定时刷新，以保持数据完整。

4 实验结果和分析
    图6是用QuartusⅡ4.O根据2.3中设立的头尾指针算法设计仿真出来的时序波形。

    可以看出，系统从0x000底开始写数据，当写入3个数据时，EndPos增加到Ox003，再进行3个数据读操作，即StartPos增加到0x003，此时，所构建的FIFO是读空状态，可以看到读空信号Empty在这时变为高电平，达到FIFO设计所需要求。
    还需要注意：由于所采用的RAM只采用一个数据总线作为输入输出，因此在写数据的时候不能进行读操作。而常用FIFO器件可以同时读写。所以，如果要在同一时间内进行读和写操作，那么需要在一个FIFO读写时钟周期内对RAM进行读写等多个操作，这时所构建的FIFO速率将降低。
    此外，在与DRAM构建高速FIFO时，由于存储块选择需要一定时间操作，因此跨块存储操作在频率较高时会影响正常的数据读写，出现个别数据丢失情况。而且当某段时间进行刷新操作时，有突发数据需要读或写，这时不允许中断。解决这种问题的办法是用一个I/O引脚(nREADY)标识出当前所构建的FIFO是否可读写，如果有上述情况发生，则nREADY为高，可以读写时为低。
    常用的FIFO器件还有半满、接近满、接近空等状态指示，可以在上述构建FIFO的基础上加上简单的逻辑控制，计算StartPos和EndPos之间的差值，根据当前是写操作还是读操作来指示。其他状态信号也可以通过CPLD经由逻辑运算很方便地实现。同时，读和写同步时钟可以不一致，这样就可以很方便地构成同步或者异步两种FIFO，具有很好的可扩展性。

5 结束语
    现在，SRAM的数据传输速率可以达到10 ns以内，DRAM要比SRAM稍慢一些。因此，SRAM通常用于高速缓冲存储，而DRAM则通常用来存储较大的数据。从成本来考虑，DRAM比SRAM成本要低得多。
    采用本文给出的结构和设计思想，避免了以往主CPU接管RAM时的一系列复杂读写操作，而直接类似FIFO使用，接口简单方便，而且避开了传统FIFO器件容量和成本的限制。本文通过理论分析，实际电路设计调试，已成功实现用两种不同结构的RAM构建FIF0，并应用于多个实时高速信号采集系统中。