基于FPGA的像素探測(cè)器數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)[圖]

摘要：針對(duì)粒子對(duì)撞機(jī)像素探測(cè)器的數(shù)據(jù)緩存，提出了基于FPGA的解決方法。通過時(shí)序轉(zhuǎn)換匹配模塊，可以使用定制FIFO核實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器模型的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。經(jīng)過FPGA驗(yàn)證，在功能上達(dá)到了像素探測(cè)器模型的要求，對(duì)于粒子對(duì)撞機(jī)像素探測(cè)器的低成本工程驗(yàn)證具有顯著的參考價(jià)值。

粒子對(duì)撞機(jī)[1]是建立在高能同步加速器上的一種粒子對(duì)撞裝置。對(duì)撞機(jī)運(yùn)行時(shí)，能量強(qiáng)大的粒子在其內(nèi)部經(jīng)過加速后對(duì)撞，以達(dá)到一定的相互反應(yīng)速率。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，可以幫助實(shí)驗(yàn)者了解相應(yīng)粒子的形態(tài)等特性，從而推動(dòng)各種理論或技術(shù)的發(fā)展。

像素探測(cè)器[2]是粒子對(duì)撞機(jī)內(nèi)部用于探測(cè)質(zhì)子撞擊后所形成的離子軌跡的裝置，是一種專用傳感器，由像素探測(cè)器探測(cè)得出的數(shù)據(jù)結(jié)果即可繪制出撞擊后的離子軌跡。目前，像素探測(cè)器主要采用以下幾種設(shè)計(jì)方法：ASIC設(shè)計(jì)方法[3]，其優(yōu)點(diǎn)是集成度高且功耗低，但是設(shè)計(jì)成本高、周期長且風(fēng)險(xiǎn)較大；分立元件采用微處理器的設(shè)計(jì)方法，其優(yōu)點(diǎn)是成本低、設(shè)計(jì)周期短且風(fēng)險(xiǎn)小，但是速度慢且體積大。針對(duì)這幾種設(shè)計(jì)方法，本文結(jié)合FPGA[4]提出了一種基于粒子對(duì)撞機(jī)像素探測(cè)器的數(shù)據(jù)緩存方法設(shè)計(jì)。相對(duì)ASIC設(shè)計(jì)方法，具有設(shè)計(jì)投入低、參數(shù)設(shè)置靈活、開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)低而且開發(fā)周期短的優(yōu)勢(shì)；相對(duì)于分立元件采用微處理器的設(shè)計(jì)方法，具有體積小、功耗低且速度快的優(yōu)勢(shì)。

由于像素探測(cè)器的數(shù)據(jù)輸出具有保持時(shí)間短(最少保持時(shí)間為25ns)、數(shù)據(jù)間隔時(shí)間不確定等特征，所以對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)必須經(jīng)過時(shí)序轉(zhuǎn)換電路將數(shù)據(jù)事先存入緩存，再寫入存儲(chǔ)器。本文的數(shù)據(jù)緩存設(shè)計(jì)由FIFO輸入時(shí)序模塊、FIFO模塊和FIFO輸出時(shí)序模塊三部分組成，通過驗(yàn)證可以實(shí)現(xiàn)由探測(cè)器數(shù)據(jù)輸出端到存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)緩存功能。

1 總體設(shè)計(jì)

FPGA是一種新型的可編程邏輯器件，可以通過硬件描述語言生成所需的硬件，相對(duì)于傳統(tǒng)的ASIC設(shè)計(jì)，具有設(shè)計(jì)周期短、靈活性高、開發(fā)費(fèi)用少、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)低等優(yōu)點(diǎn)，是ASIC的一種高效低成本解決方案。本設(shè)計(jì)使用的FPGA是Altera公司的CYCLONE2芯片，最高時(shí)鐘頻率100MHz�？傮w架構(gòu)如圖1所示。

由于探測(cè)器數(shù)據(jù)輸出需要符合FIFO數(shù)據(jù)輸入的時(shí)序，F(xiàn)IFO的數(shù)據(jù)輸出需要符合存儲(chǔ)器輸入的時(shí)序，因此設(shè)計(jì)了FIFO輸入時(shí)序模塊和FIFO輸出時(shí)序模塊，使數(shù)據(jù)能夠正確緩存進(jìn)而存儲(chǔ)。下面對(duì)具體的時(shí)序規(guī)范及各個(gè)模塊進(jìn)行說明。

2 模塊設(shè)計(jì)及說明

2.1 FIFO模塊

FIFO即先進(jìn)先出緩存器。FIFO與其他存儲(chǔ)器的最大區(qū)別就是沒有外部讀寫的地址線，因此應(yīng)用起來十分方便簡單，但是相應(yīng)的缺點(diǎn)就是只能順序?qū)懭牖蛘唔樞蜃x取，其尋址方式由內(nèi)部指針自加自減完成，不能對(duì)特定的地址進(jìn)行讀寫。FIFO通常使用在不同速度的接口數(shù)據(jù)交換中，通過FIFO使得時(shí)序分別符合兩個(gè)接口的特定速度，以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

Altera的FIFO按照驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘分類有兩種：單時(shí)鐘FIFO(SCFIFO)，即讀和寫FIFO用的同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)；雙時(shí)鐘FIFO(DCFIFO)，即讀和寫FIFO分別使用不同時(shí)鐘信號(hào)。其中雙時(shí)鐘FIFO還根據(jù)不同的端口數(shù)據(jù)寬度分為DCFIFO和DCFIFO_MIXED_WIDTH，所謂DCFIFO是輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)具有相同的數(shù)據(jù)寬度；而DCFIFO_MIXED_WIDTH是指輸入輸出端口可以使用不同的數(shù)據(jù)寬度。

使用Altera的FIFO MegaWizard inteface launched對(duì)FIFO進(jìn)行構(gòu)建，像素探測(cè)器模型中有16路傳感器輸出，每路輸出需要記錄100個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)模型需要，構(gòu)建FIFO的主要參數(shù)如下：

dcfifo_component.intended_device_family

= "Cyclone II"dcfifo_component.lpm_hint"MAXIMIZE_

SPEED=7 RAM_BLOCK_TYPE=M4K"

dcfifo_component.lpm_numwords = 128

dcfifo_component.lpm_showahead = "OFF"

dcfifo_component.lpm_type = "dcfifo"

dcfifo_component.lpm_width = 16

dcfifo_component.lpm_widthu = 7

dcfifo_component.overflow_checking="ON" dcfifo_compo-

nent.rdsync_delaypipe = 5

dcfifo_component.underflow_checking="ON"

dcfifo_component.use_eab = "ON"

dcfifo_component.write_aclr_synch = "OFF"

dcfifo_component.wrsync_delaypipe = 5;

構(gòu)建完FIFO后，對(duì)其進(jìn)行時(shí)序仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。

參照時(shí)序仿真圖對(duì)各個(gè)端口及時(shí)序進(jìn)行說明：

aclr：異步清零端，1bit。清零所有輸出狀態(tài)端口，對(duì)于DCFIFO，3個(gè)wrclk時(shí)鐘上升沿后清零wrfull端口，清零rdfull端口。如果輸出端口定義reg類型的則會(huì)被清零;否則會(huì)保持輸出值。

data：數(shù)據(jù)輸入端口，16bit。當(dāng)寫請(qǐng)求wrreq有效時(shí)，保持?jǐn)?shù)據(jù)直到數(shù)據(jù)被寫入FIFO。當(dāng)使用手動(dòng)定義FIFO時(shí)，其數(shù)據(jù)寬度用參數(shù)LPM_WIDTH定義。

q：數(shù)據(jù)輸出端口，16bit。當(dāng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求時(shí)(rdreq有效時(shí))，輸出數(shù)據(jù)。對(duì)于DCFIFO，輸出數(shù)據(jù)的寬度可以與輸入數(shù)據(jù)data端口寬度不同，具體用參數(shù)LPM_WIDTH_R定義。

rdcld：上升沿出發(fā)時(shí)鐘，1bit。用來同步以下信號(hào)：q、dreq、dfull、dempty、rdusedw。

rdempty：輸出數(shù)據(jù)為零時(shí)輸出高電平，1bit。不管目標(biāo)設(shè)備是什么，在讀請(qǐng)求發(fā)送前必須查詢r(jià)dempty信號(hào)是否為高電平，以避免錯(cuò)誤指令發(fā)出。

rdreq：讀請(qǐng)求信號(hào)端口，1bit。當(dāng)需要從FIFO中讀數(shù)據(jù)時(shí)，向rdreq端發(fā)送讀請(qǐng)求，讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與rdreq持續(xù)的時(shí)鐘數(shù)相同。需要注意的是，當(dāng)rdempty有效時(shí)不能發(fā)送rdreq信號(hào)。對(duì)于這種情況，可以開啟空保護(hù)功能，通過設(shè)置參數(shù)UNDERFLOW_CHECKING高電平實(shí)現(xiàn)，當(dāng)rdempty為高電平時(shí)rdreq信號(hào)自動(dòng)被置為無效。

rdusedw：輸出數(shù)據(jù)顯示FIFO中可讀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，7bit。在DCFIFO中，其端口寬度要與手動(dòng)設(shè)置參數(shù)LPM_WIDTHU相等。需要注意的是，對(duì)于Cyclone系列的FPGA，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)滿時(shí)實(shí)際FIFO的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量有可能并沒有達(dá)到存儲(chǔ)的最大值，因此應(yīng)該參考full或者wrfull端口來執(zhí)行正確的寫操作，參考empty或者rdempty端口來執(zhí)行正確的讀操作。

wrclk：寫數(shù)據(jù)時(shí)鐘，上升沿觸發(fā)有效，1bit。用于同步以下端口：data、wrreq、wrusedw、wrfull和wrempty。

wrfull：寫數(shù)據(jù)滿信號(hào)，1bit。當(dāng)此端口電平有效時(shí)，F(xiàn)IFO已經(jīng)被寫滿。其注意事項(xiàng)同rdfull。總體而言，rdfull信號(hào)要比wrfull信號(hào)有所延遲，因此，應(yīng)該通過wrfull信號(hào)的電平來判斷是否可以發(fā)送寫請(qǐng)求信號(hào)wrreq。

wrreq：寫請(qǐng)求信號(hào)。當(dāng)需要向FIFO寫入數(shù)據(jù)時(shí)，向wrreq端發(fā)送讀請(qǐng)求，讀取數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)與wrreq持續(xù)的時(shí)鐘數(shù)相同。需要注意的是，當(dāng)wrfull有效時(shí)不能發(fā)送wrreq信號(hào)。對(duì)于這種情況，可以開啟溢出保護(hù)功能，通過設(shè)置參數(shù)OVERFLOW_CHECKING高電平實(shí)現(xiàn)，當(dāng)wrfull為高電平時(shí)wrreq信號(hào)自動(dòng)被置為無效。同時(shí)在取消aclr信號(hào)時(shí)不應(yīng)輸入wrreq信號(hào)，否則aclr信號(hào)的下降沿和wrreq信號(hào)置為高電平后寫數(shù)據(jù)的上升沿會(huì)產(chǎn)生競爭冒險(xiǎn)現(xiàn)象。對(duì)于CYCLONE系列的FPGA中DCFIFO器件，可以選擇添加同步電路同步aclr信號(hào)和wrclk信號(hào)，在手動(dòng)設(shè)置中也可以通過設(shè)置參數(shù)WRITE_ACLR_SYNCH有效實(shí)現(xiàn)同步。

wrusedw：輸出數(shù)據(jù)顯示FIFO中寫入數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，7bit。在DCFIFO中，其端口寬度要與手動(dòng)設(shè)置參數(shù)LPM_WIDTHU相等。需要注意的是，對(duì)于Cyclone系列的FPGA，當(dāng)顯示數(shù)據(jù)滿時(shí)實(shí)際FIFO的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量有可能并沒有達(dá)到存儲(chǔ)的最大值，因此應(yīng)該參考full或者wrfull端口來執(zhí)行正確的寫操作，參考empty或者rdempty端口來執(zhí)行正確的讀操作。

FIFO工作時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

2.2 FIFO輸入時(shí)序模塊

FIFO輸入時(shí)序模塊用于使TIME COUNTER_WITHID模塊(用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí))的輸出數(shù)據(jù)時(shí)序符合FIFO輸入數(shù)據(jù)時(shí)序的接口要求。FIFO的寫請(qǐng)求信號(hào)wrreq的長度所包含的周期數(shù)為寫入FIFO數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，并且寫請(qǐng)求信號(hào)有效時(shí)輸入數(shù)據(jù)端口的數(shù)據(jù)即被寫入FIFO，幾乎沒有延遲，因此輸入數(shù)據(jù)長度應(yīng)符合FIFO的時(shí)鐘信號(hào)周期長度，并且寫請(qǐng)求信號(hào)長度也需要符合FIFO時(shí)鐘信號(hào)周期長度，兩者在時(shí)間上需要達(dá)到同步。

為了測(cè)試輸出數(shù)據(jù)長度符合FIFO接口的時(shí)序要求，分別進(jìn)行了圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)所示的波形仿真，輸入信號(hào)的持續(xù)長度分別為10ns、20ns、30ns。如圖所示三種輸入的輸出皆為10ns保持時(shí)間， 同時(shí)輸出10ns write_en使能信號(hào)，符合FIFO接口要求。

參照時(shí)序仿真圖對(duì)各個(gè)端口及時(shí)序進(jìn)行說明：

clk：FIFO輸入時(shí)序模塊時(shí)鐘輸入，1bit。用于同步datain16、dataout16、write_en、complete、enable、usedw信號(hào)，與FIFO中wrclk信號(hào)相頻相同。

complete：數(shù)據(jù)接收完成信號(hào)，1bit。當(dāng)從timecounter_withid模塊接收數(shù)據(jù)完成時(shí)發(fā)送給timecounter_withid模塊，持續(xù)時(shí)長1周期，timecounter_withid接收到信號(hào)時(shí)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，做好準(zhǔn)備對(duì)新的信號(hào)輸入進(jìn)行計(jì)時(shí)。

datain16：16位數(shù)據(jù)輸入端口，16bit。用于輸入16位數(shù)據(jù)。

dataout16：16位數(shù)據(jù)輸出端口，16bit。用于輸出16位數(shù)據(jù)。

enable：數(shù)據(jù)寫入輸入時(shí)序模塊使能，1bit。當(dāng)有數(shù)據(jù)要寫入模塊時(shí)，首先在此端口輸入高電平，然后輸入數(shù)據(jù)方可被正確接收。

usedw：FIFO中可用數(shù)據(jù)端口，7bit。用于查詢FIFO中可用數(shù)據(jù)量，以此判斷是否有剩余空間，進(jìn)而確定是否向FIFO中寫數(shù)據(jù)。

write_en：寫使能信號(hào)，1bit。當(dāng)要向FIFO中寫入數(shù)據(jù)時(shí)為高電平，dataout16進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

模塊流程圖如圖5所示。整個(gè)模塊以posedge clk為同步時(shí)鐘進(jìn)行循環(huán)判斷。當(dāng)寫入模塊使能enable有效且寫入完畢信號(hào)complete無效時(shí)，首先對(duì)FIFO的存儲(chǔ)情況進(jìn)行判斷，當(dāng)FIFO中字節(jié)小于7FH時(shí)，說明FIFO未被寫滿，可以向其輸入數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)輸入FIFO的同時(shí)，寫使能write_en置為有效，對(duì)于計(jì)數(shù)模塊輸出的接收完成信號(hào)complete信號(hào)置為有效。對(duì)一個(gè)周期的計(jì)數(shù)寄存器counter進(jìn)行判斷，如果counter為1即計(jì)時(shí)一周期到，則寄存器清零。counter的數(shù)值是在每次posedge clk信號(hào)到來時(shí)對(duì)write_en判斷后進(jìn)行加1，即當(dāng)write_en為有效電平時(shí)，counter才被加1用來計(jì)時(shí)。

2.3 FIFO輸出時(shí)序模塊

FIFO輸出時(shí)序模塊用于使FIFO的輸出信號(hào)符合Flash讀寫時(shí)序規(guī)范。由FIFO的時(shí)序仿真圖可以看出，當(dāng)讀請(qǐng)求信號(hào)rdreq發(fā)出后，數(shù)據(jù)要延遲15ns左右才會(huì)輸出。如果Flash控制器發(fā)出讀請(qǐng)求信號(hào)后立即讀FIFO的數(shù)據(jù)，則會(huì)造成差錯(cuò)。因此本模塊可以銜接FIFO和Flash控制器的端口時(shí)序。

時(shí)序仿真圖如圖6所示。由時(shí)序仿真圖可以看出，sendready信號(hào)相對(duì)于empty信號(hào)延遲了13ns左右，dataout信號(hào)相對(duì)于sendready信號(hào)延遲了20ns左右�？梢詽M足FIFO時(shí)序要求。

參照時(shí)序仿真圖對(duì)各個(gè)端口及時(shí)序進(jìn)行說明：

clk：FIFO輸入時(shí)序模塊時(shí)鐘輸入，1bit。用于同步datain16、dataout16、empty、complete、sendready信號(hào)，與FIFO中wrclk信號(hào)相頻相同。

complete：數(shù)據(jù)接收完成信號(hào)，1bit。當(dāng)存儲(chǔ)器從模塊接收數(shù)據(jù)完成時(shí)發(fā)送給FIFO輸出時(shí)序模塊，持續(xù)時(shí)長1周期，F(xiàn)IFO輸出時(shí)序模塊接收到此信號(hào)時(shí)對(duì)內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行初始化，開始對(duì)新的信號(hào)輸入進(jìn)行計(jì)時(shí)。

datain16：16位數(shù)據(jù)輸入端口，16bit。用于輸入16位數(shù)據(jù)。

dataout16：16位數(shù)據(jù)輸出端口，16bit。用于輸出16位數(shù)據(jù)。

sendready：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒信號(hào)，1bit。當(dāng)FIFO收到讀數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)并且有數(shù)據(jù)輸出時(shí)sendready發(fā)送有效信號(hào)，存儲(chǔ)器讀取輸出數(shù)據(jù)。

write_en：寫使能信號(hào)，1bit。當(dāng)要向FIFO中寫入數(shù)據(jù)時(shí)為高電平，dataout16進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出。

模塊流程圖如圖7所示。

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 驗(yàn)證

將程序下載到CycloneII FPGA芯片中，并且用按鍵作為輸入信號(hào)進(jìn)行了測(cè)試，在控制臺(tái)上打印FIFO的輸出結(jié)果，結(jié)果如圖8所示。

3.2 驗(yàn)證結(jié)果分析

當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)經(jīng)過時(shí)序轉(zhuǎn)換模塊可以向存儲(chǔ)器寫入時(shí)，ready信號(hào)為1，同時(shí)數(shù)據(jù)寫入寄存器并在控制臺(tái)打印，然后再將寄存器中的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，并向時(shí)序轉(zhuǎn)換模塊返回完成信號(hào)complete高電平1，等待從FIFO中讀取新數(shù)據(jù)。經(jīng)過驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)可以將輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存并且輸出給NiosII CPU，符合像素探測(cè)器數(shù)據(jù)緩存要求。

本文結(jié)合FPGA對(duì)粒子對(duì)撞機(jī)像素探測(cè)器的數(shù)據(jù)緩存提出了解決方法并進(jìn)行了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。相對(duì)于傳統(tǒng)的ASIC構(gòu)建方法，具有高效率、低投入的優(yōu)勢(shì)，提高了探測(cè)器升級(jí)和參數(shù)設(shè)置等方面的靈活性；相對(duì)于分立元件的設(shè)計(jì)方法，具有高速、低功耗和集成度高的優(yōu)勢(shì)。通過時(shí)序仿真和FPGA驗(yàn)證，能夠滿足像素探測(cè)器的設(shè)計(jì)需要。

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作者：楊萌 王祖強(qiáng) 山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 來源：《電子技術(shù)應(yīng)用》2011年第9期