四種常用FPGA/CPLD設計思想與技巧之乒乓操作
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本系列討論的四種常用FPGA/CPLD設計思想與技巧：乒乓操作、串并轉換、流水線(xiàn)操作、數據接口同步化，都是FPGA/CPLD邏輯設計的內在規律的體現，合理地采用這些設計思想能在FPGA/CPLD設計工作種取得事半功倍的效果。
FPGA/CPLD 的設計思想與技巧是一個(gè)非常大的話(huà)題，由于篇幅所限，本文僅介紹一些常用的設計思想與技巧，包括乒乓球操作、串并轉換、流水線(xiàn)操作和數據接口的同步方法。希望本文能引起工程師們的注意，如果能有意識地利用這些原則指導日后的設計工作，將取得事半功倍的效果！
乒乓操作
“乒乓操作”是一個(gè)常常應用于數據流控制的處理技巧，典型的乒乓操作方法如圖1所示。
乒乓操作的處理流程為：輸入數據流通過(guò)“輸入數據選擇單元”將數據流等時(shí)分配到兩個(gè)數據緩沖區，數據緩沖模塊可以為任何存儲模塊，比較常用的存儲單元為雙口RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。在第一個(gè)緩沖周期，將輸入的數據流緩存到“數
乒乓操作的最 大特點(diǎn)是通過(guò)“輸入數據選擇單元”和“輸出數據選擇單元”按節拍、相互配合的切換，將經(jīng)過(guò)緩沖的數據流沒(méi)有停頓地送到“數據流運算處理模塊”進(jìn)行運算與處理。把乒乓操作模塊當做一個(gè)整體，站在這個(gè)模塊的兩端看數據，輸入數據流和輸出數據流都是連續不斷的，沒(méi)有任何停頓，因此非常適合對數據流進(jìn)行流水線(xiàn)式處 理。所以乒乓操作常常應用于流水線(xiàn)式算法，完成數據的無(wú)縫緩沖與處理。
乒乓操作的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以節約緩沖區空間。比如在WCDMA基 帶應用中，1個(gè)幀是由15個(gè)時(shí)隙組成的，有時(shí)需要將1整幀的數據延時(shí)一個(gè)時(shí)隙后處理，比較直接的辦法是將這幀數據緩存起來(lái)，然后延時(shí)1個(gè)時(shí)隙進(jìn)行處理。這時(shí)緩沖區的長(cháng)度是1整幀數據長(cháng)，假設數據速率是3.84Mbps，1幀長(cháng)10ms，則此時(shí)需要緩沖區長(cháng)度是38400位。如果采用乒乓操作，只需定義兩個(gè) 能緩沖1個(gè)時(shí)隙數據的RAM(單口RAM即可)。當向一塊RAM寫(xiě)數據的時(shí)候，從另一塊RAM讀數據，然后送到處理單元處理，此時(shí)每塊RAM的容量?jì)H需 2560位即可，2塊RAM加起來(lái)也只有5120位的容量。
另外，巧妙運用乒乓操作還可以達到用低速模塊處理高速數據流的效果。如圖2所示，數據緩沖模塊采用了雙口RAM，并在DPRAM后引入了一級數據預處理模塊，這個(gè)數據預處理可以根據需要的各種數據運算，比如在WCDMA設計中，對輸入數據流的解擴、解擾、去旋轉等。假設端口A(yíng)的輸入數據流的速率為 100Mbps，乒乓操作的緩沖周期是10ms。以下分析各個(gè)節點(diǎn)端口的數據速率。
A端口處輸入數據流速率為100Mbps，在第1個(gè) 緩沖周期10ms內，通過(guò)“輸入數據選擇單元”，從B1到達DPRAM1。B1的數據速率也是100Mbps，DPRAM1要在10ms內寫(xiě)入1Mb數據。同理，在第2個(gè)10ms，數據流被切換到DPRAM2，端口B2的數據速率也是100Mbps，DPRAM2在第2個(gè)10ms被寫(xiě)入1Mb數據。在第 3個(gè)10ms，數據流又切換到DPRAM1，DPRAM1被寫(xiě)入1Mb數據。
仔細分析就會(huì )發(fā)現到第3個(gè)緩沖周期時(shí)，留給DPRAM1讀 取數據并送到“數據預處理模塊1”的時(shí)間一共是20ms。有的工程師困惑于DPRAM1的讀數時(shí)間為什么是20ms，這個(gè)時(shí)間是這樣得來(lái)的：首先，在在第 2個(gè)緩沖周期向DPRAM2寫(xiě)數據的10ms內，DPRAM1可以進(jìn)行讀操作；另外，在第1個(gè)緩沖周期的第5ms起(絕對時(shí)間為5ms時(shí)刻)， DPRAM1就可以一邊向500K以后的地址寫(xiě)數據，一邊從地址0讀數，到達10ms時(shí)，DPRAM1剛好寫(xiě)完了1Mb數據，并且讀了500K數據，這個(gè)緩沖時(shí)間內DPRAM1讀了5ms；在第3個(gè)緩沖周期的第5ms起(絕對時(shí)間為35ms時(shí)刻)，同理可以一邊向500K以后的地址寫(xiě)數據一邊從地址0讀 數，又讀取了5個(gè)ms，所以截止DPRAM1第一個(gè)周期存入的數據被完全覆蓋以前，DPRAM1最多可以讀取20ms時(shí)間，而所需讀取的數據為1Mb，所以端口C1的數據速率為：1Mb/20ms=50Mbps。因此，“數據預處理模塊1”的最低數據吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。同理，“數據預處理 模塊2”的最低數據吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。換言之，通過(guò)乒乓操作，“數據預處理模塊”的時(shí)序壓力減輕了，所要求的數據處理速率僅僅為輸入數據速率的1/2。
通過(guò)乒乓操作實(shí)現低速模塊處理高速數據的實(shí)質(zhì)是：通過(guò)DPRAM這種緩存單元實(shí)現了數據流的串并轉換，并行用“數據預處理模塊1”和“數據預處理模塊2”處理分流的數據，是面積與速度互換原則的體現！
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