摘  要： 介紹了異步FIFO在Camera Link接口中的應(yīng)用，將Camera Link接口中的幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL引入到異步FIFO的設(shè)計中,。分析了FPGA中設(shè)計異步FIFO的難點,，解決了異步FIFO設(shè)計中存在的兩個關(guān)鍵問題：一是盡量降低電路中亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)概率；二是如何產(chǎn)生空,、滿等相應(yīng)的控制信號,。為Camera Link接口提供了穩(wěn)定的視頻數(shù)據(jù)及控制信號。
關(guān)鍵詞： Camera Link,；異步FIFO,；雙口RAM；亞穩(wěn)態(tài),；格雷碼

    FIFO(First In First Out)是一種常用于數(shù)據(jù)緩存的電路器件,，可應(yīng)用于高速數(shù)據(jù)采集、多處理器接口和視頻信號的時序控制等領(lǐng)域,。在Camera Link接口中,，需要將28 bit的TTL/CMOS信號同時送給Camera Link接口芯片，其中28 bit信號包括24 bit數(shù)據(jù)信號和4 bit控制信號(幀有效FVAL信號和行有效LVAL信號等),。而進(jìn)入FPGA中的只有數(shù)據(jù)信號,，所以，異步FIFO要有在控制圖像數(shù)據(jù)時序的同時,，生成FVAL和LVAL同步控制信號的功能,。在這種情況下,，目前常用的FIFO器件很難滿足系統(tǒng)的要求。文中采用Verilog HDL語言設(shè)計了一種異步FIFO,，它不僅提供數(shù)據(jù)緩沖,，而且能夠匹配Camera Link接口標(biāo)準(zhǔn)。
1 異步FIFO設(shè)計
    異步FIFO由FIFO主控模塊（包含存儲單元）,、讀地址及空標(biāo)志產(chǎn)生模塊,、寫地址及滿標(biāo)志產(chǎn)生模塊、異步比較模塊4部分組成,，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,。整個FIFO分為2個獨(dú)立的時鐘域，即讀時鐘域和寫時鐘域,，F(xiàn)IFO的存儲介質(zhì)為一塊雙口RAM,，可以同時進(jìn)行讀寫操作。在寫時鐘域部分,，由寫地址及滿標(biāo)志模塊產(chǎn)生寫地址和寫滿標(biāo)志信號,，寫時鐘信號和寫使能信號由系統(tǒng)數(shù)據(jù)生成模塊給出，寫入的數(shù)據(jù)由主控模塊存儲在雙端口RAM中,；在讀時鐘域部分,，由讀地址及空標(biāo)志模塊產(chǎn)生讀地址和讀空標(biāo)志信號，讀時鐘信號由系統(tǒng)時鐘通過分頻器得到,，讀使能使用視頻同步信號中的行同步LVAL信號,，讀出數(shù)據(jù)由主控制模塊從雙端口RAM中讀出并連同視頻同步信號一起發(fā)送到Camera Link接口。由異步比較模塊對讀,、寫地址進(jìn)行比較,，并產(chǎn)生將滿(nfull_n)、將空(nempty_n)信號,。

2 設(shè)計的難點
    對于通用的FIFO,，不能直接應(yīng)用到Camera Link接口中，也不能通過簡單修改現(xiàn)成的FIFO模塊而得到,，這是因為異步FIFO的設(shè)計存在以下難點：
    (1)亞穩(wěn)態(tài)問題：在信號傳輸中,，每種觸發(fā)器都有時序要求，并在工作過程中存在數(shù)據(jù)的建立時間和保持時間,。對于使用上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器來說,，建立時間（Setup Time）是在時鐘上升沿到來之前，觸發(fā)器數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的最小時間,；而保持時間（Hold Time）是在時鐘上升沿到來之后,，觸發(fā)器數(shù)據(jù)還應(yīng)該保持的最小時間,。在時鐘上升沿前后的這個窗口內(nèi)數(shù)據(jù)應(yīng)該保持不變,，否則會使觸發(fā)器工作在一個不確定的狀態(tài),，即亞穩(wěn)態(tài)。如圖2所示,。當(dāng)觸發(fā)器處于亞穩(wěn)態(tài),，且處于亞穩(wěn)態(tài)的時間超過了一個時鐘周期時，這種不確定的狀態(tài)將會影響到下一級的觸發(fā)器,，最終導(dǎo)致連鎖反應(yīng),，從而使整個系統(tǒng)功能失常。

    (2)FIFO空,、滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯：一個好的FIFO設(shè)計的基本要求是：寫滿不溢出,；讀空又不多讀。傳統(tǒng)的異步FIFO把讀寫地址信號同步后再進(jìn)行比較以產(chǎn)生空滿標(biāo)志,，由于讀寫地址的每一位都需要兩級同步電路,，大量使用寄存器必然要占用很大的面積。這種方法不適合設(shè)計大容量的FIFO,。當(dāng)讀,、寫指針相等也就是指向同一個內(nèi)存位置時，F(xiàn)IFO可能處于滿或空兩種狀態(tài),，必須區(qū)分FIFO是處于空狀態(tài)還是滿狀態(tài),。
    (3)Camera Link接口的匹配：由于異步FIFO在控制數(shù)據(jù)時序的同時，還要產(chǎn)生視頻同步控制信號,，并按照控制信號的時序?qū)?shù)據(jù)讀出,。設(shè)計中，只用到Camera Link接口中的幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL,，當(dāng)FVAL和LVAL信號為高時,，才能將數(shù)據(jù)讀出，為低時,，數(shù)據(jù)不能讀出,。所以雙重的時序控制很難穩(wěn)定，Camera Link接口的匹配也很難達(dá)到要求,。
3 問題的解決
    (1)高速的格雷碼指針：對于亞穩(wěn)態(tài)問題,，采用高速的格雷碼指針來解決。設(shè)計中讀,、寫地址采用格雷碼,，用兩組寄存器作為格雷碼指針。一組二進(jìn)制計數(shù)器,，而另一組用來存放二進(jìn)制碼到格雷碼轉(zhuǎn)換(Binary-to-Gray)的值,。圖3是高速格雷碼計數(shù)器的示意圖。加法器的附加條件分別是讀(或?qū)?使能和空(或滿)標(biāo)志。當(dāng)讀(或?qū)?使能有效(高電平)且FIFO存儲器處在非空(或非滿)狀態(tài)時就對二進(jìn)制序列加一,，否則二進(jìn)制序列加零(保持不變),；然后通過Binary-to-Gray電路將二進(jìn)制bnext轉(zhuǎn)換為格雷碼gnext，這個轉(zhuǎn)換電路是由n個二輸入異或門組成,，在下一個時鐘沿gnext被存到格雷碼指針中,。

    (2)空滿狀態(tài)產(chǎn)生邏輯：對于空、滿標(biāo)志,，設(shè)計中采用的解決方法是將地址空間劃分為4個連續(xù)區(qū)間,，將取自每個指針最高位和次高位的4位地址狀態(tài)進(jìn)行譯碼，以判定當(dāng)2個指針相等時FIFO存儲器是處于滿狀態(tài)還是空狀態(tài),。如圖4和5所示,，如果寫指針落后于讀指針一個區(qū)間，說明FIFO存儲器將可能為滿狀態(tài),；如果讀指針落后于寫指針一個信號區(qū),，說明FIFO存儲器將可能為空狀態(tài)。利用一個狀態(tài)鎖存器,，當(dāng)寫指針在讀指針后一個地址空間時將鎖存器置位,；當(dāng)讀指針在寫指針后一個地址空間時將鎖存器清零。在讀指針與寫指針相等時,，如果鎖存器值為1,，F(xiàn)IFO存儲器是滿狀態(tài)；如果鎖存器值為0,，F(xiàn)IFO存儲器是空狀態(tài),。由圖4和5可以寫出狀態(tài)鎖存器的置位和復(fù)位的邏輯關(guān)系：
   

    對于空、滿標(biāo)志的置位和復(fù)位,，設(shè)計中采用異步比較的方法實現(xiàn),。如圖6所示，aempty_n和afull_n是由異步信號比較產(chǎn)生的,。aempty_n有效(低電平)是由讀指針增加引起的,，所以它是發(fā)生在讀時鐘的上升沿；aempty_n信號釋放(無效)是由寫指針增加引起的,，所以它發(fā)生在寫時鐘的上升沿,。類似地，afull_n信號變?yōu)橛行?低電平)是由寫指針增加引起的,，所以它發(fā)生在寫時鐘的上升沿,；釋放(無效)是由讀指針增加引起的，所以它發(fā)生在讀時鐘的上升沿,?？諣顟B(tài)標(biāo)志是用于阻止下一個讀時鐘周期繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)，aempty_n的有效沿(下降沿)與讀時鐘同步，但是它的上升沿卻與寫時鐘同步,，所以aempty_n的上升沿要經(jīng)過同步器才能傳遞到讀時鐘域中,。afull_n信號與此類似。

    (3)Camera Link接口匹配邏輯：Camera Link接口有基本架構(gòu)（Base Configuration）,、中階架構(gòu)（Medium Configuration）及完整架構(gòu)（Full Configuration）3種。設(shè)計中采用基本架構(gòu),，配置A口和B口作為圖像數(shù)據(jù)的輸入,，其中A口、B口都為8 bit,；控制信號使用幀有效信號FVAL和行有效信號LVAL,。當(dāng)FVAL和LVAL信號都為高電平時，數(shù)據(jù)在圖像時鐘信號的控制下依次發(fā)送,。
    由于對FIFO的讀要嚴(yán)格按照控制信號的時序,，依次將寫入到雙端口RAM中的像素數(shù)據(jù)讀出，也就是當(dāng)幀有效信號FVAL為高電平,，行有效信號LVAL由低電平跳變到高電平時,，讀出的是該行的第一個像素數(shù)據(jù)；并依次按照行頻和幀頻將像素數(shù)據(jù)發(fā)送到Camera Link接口中,。所以要解決以下幾個問題：
    首先是讀時鐘信號與寫時鐘信號的匹配問題,。設(shè)計中采用分頻器將系統(tǒng)時鐘分頻，并與寫時鐘相近,，作為讀時鐘,，這樣可以避免頻繁產(chǎn)生空、滿信號,。
    其次,，讀操作控制信號的確定。通常的設(shè)計中,，讀出數(shù)據(jù)和讀地址加一都在讀使能信號的控制下完成,。但設(shè)計中增加FVAL和LVAL信號后，數(shù)據(jù)的讀出和讀地址的增加都是在LVAL和FVAL信號為高時完成,，因此就不能用通常設(shè)計中的讀使能信號作為讀操作的控制信號,，設(shè)計中用LVAL做為讀操作的控制信號，從圖1中也可以看出,。這樣,，當(dāng)LVAL為高電平時，就可以實現(xiàn)每次地址加一,，讀出一個數(shù)據(jù),。當(dāng)LVAL為低電平時，地址不增加，數(shù)據(jù)也不被讀出,。
    最后,，F(xiàn)VAL和LVAL信號的產(chǎn)生。設(shè)計中通過計數(shù)來實現(xiàn),，那么觸發(fā)計數(shù)的信號如何選取呢,？通過上面分析知道，讀地址的增加和數(shù)據(jù)的讀出都是在LVAL信號的控制下完成的,，而LVAL信號也要與讀出的數(shù)據(jù)一一對應(yīng),，也就是說LVAL計數(shù)每次加一就會有一個數(shù)據(jù)讀出，所以采用通常設(shè)計中的讀使能信號作為LVAL和FVAL計數(shù)的觸發(fā)信號,，便可以實現(xiàn)Camera Link接口的控制信號對圖像數(shù)據(jù)的控制,。
4 驗證結(jié)果
      將程序下載到FPGA中，使用開發(fā)工具Quartus II6.0中自帶的邏輯分析儀SignalTap對FIFO中的信號進(jìn)行采樣監(jiān)測,，采樣結(jié)果如圖7,、圖8所示。結(jié)果表明信號時序準(zhǔn)確,，數(shù)據(jù)和地址無毛刺現(xiàn)象,。從圖7可以看出，當(dāng)LVAL信號為低時,，讀地址不增加并停止讀,，滿足時序要求。圖8中rdata為讀出數(shù)據(jù),，值為0～9,，lval_count為LVAL信號的計數(shù)寄存器，計數(shù)值為0～369,，其中高電平為0～319,。從圖中看出：讀出數(shù)據(jù)值和lval_count的尾數(shù)值一一對應(yīng)，也就是說LVAL與讀出數(shù)據(jù)一一對應(yīng),。結(jié)果表明其可以為Camera Link接口提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)及控制信號,。

    本文設(shè)計了一種異步FIFO，并成功應(yīng)用在Camera Link接口中,。分析和解決了異步FIFO設(shè)計中存在的2個關(guān)鍵問題：用高速的格雷碼指針作為讀寫地址編碼,，有效降低了亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的概率；通過劃分地址空間和增加標(biāo)志位解決了空,、滿信號問題,。同時還解決了與Camera Link接口的時序匹配問題。設(shè)計中增加了電路的面積,，但避免了復(fù)雜的組合邏輯,，提高了系統(tǒng)的工作頻率,。
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