本文在介紹了LabVIEW FPGA模塊程序設(shè)計特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合DMA FIFO的工作原理，提出了一種設(shè)定FIFO深度的方法，解決了FIFO溢出、讀空的問題，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。實驗結(jié)果表明該方法正確、可行，程序設(shè)計滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸連續(xù)性的要求。
1 LabVIEW FPGA模塊
LabVIEW FPGA是LabVIEW的一個子模塊，使用該模塊可以通過圖形化的編程對NI公司RIO(Reconfigurable I/O)設(shè)備上的FPGA進行配置。圖形化的程序直接在硬件上實現(xiàn)，通過對RIO設(shè)備上的I/O接口的控制，可以靈活地對I/O信號進行分析和處理，表現(xiàn)出比固定I/O硬件更加優(yōu)異的特性。使用LabVIEWFPGA模塊開發(fā)出來的系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)模塊化、升級方便等優(yōu)點。例如，圖1表示了一個用LabVIEW FPGA模塊設(shè)計的程序，在FPGA上實現(xiàn)方波發(fā)生器。該方波發(fā)生器通過數(shù)字接口DIO_1輸出方波，其占空比和周期可調(diào)。LabVIEW FPGA模塊在程序的設(shè)計與實現(xiàn)上都展現(xiàn)出了極大的靈活性。
1.1 LabVIEW FPGA程序開發(fā)流程
使用LabVIEW FPGA模塊開發(fā)應(yīng)用程序的流程如圖2所示。首先創(chuàng)建FPGA vi，之后用FPGA設(shè)備仿真器在主控計算機上運行程序，反復(fù)地調(diào)試、修改，直至程序正確無誤。然后編譯FPGA vi，并把程序下載到FPGA上。FPGA部分的程序完成后，再根據(jù)需要在主控計算機上創(chuàng)建用戶界面程序Host vi，最終就完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。
FPGA設(shè)備仿真器的打開方法是：首先在“項目瀏覽器”窗口中的打開“我的電腦”子菜單，右擊子菜單中的“FPGA Target”并在快捷菜單中選擇“Execute vion”下一級子菜單中的“Development Computer with Simulated I/O”。然后再在FPGA vi中點擊“Run”按鈕，這時程序在FPGA的設(shè)備仿真器上運行。
1.2 開發(fā)FPGA vi
發(fā)應(yīng)用程序的第一步是創(chuàng)建用于配置PXIe-5641R板載FPGA的程序。在FPGA vi中可以實現(xiàn)算法邏輯，包括信號同步，定制數(shù)字通信協(xié)議，板載控制和預(yù)警處理判決機制等功能。通過LabVIEW FPGA模塊，可使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境和許多類似的功能。但是由于FPGA不支持浮點操作，所以LabVIEW FPGA模塊較之LabVIEW完整Windows版開發(fā)軟件缺少了一些操作符和分析函數(shù)。另外，由于PXIe-5641R板卡沒有硬盤和操作系統(tǒng)，因此不支持文件I/O和ActiveX功能。LabVIEW FPGA模塊的函數(shù)面板如圖3所示。
硬件對象不管是FPGA設(shè)備還是FPGA仿真器，都可以訪問LabVIEW FPGA函數(shù)。仿真器使用RIO設(shè)備的I/O接口，可在主機處理器上執(zhí)行邏輯算法。檢驗vi設(shè)計中的一些簡單性錯誤，避免不必要的反復(fù)編譯，尤其是在程序比較大的時候可節(jié)省大量的時間，提高編程效率。也可使用仿真器驗證vi的執(zhí)行流程，但無法驗證硬件的確定性，若需要驗證硬件性能的確定性，必須對FPGA vi進行編譯。與其他FPGA開發(fā)工具一樣，根據(jù)應(yīng)用程序的復(fù)雜程度和計算機資源的不同，編譯步驟可能要花上幾分鐘到幾個小時的時間。
1.3 開發(fā)Host vi
在FPGA vi完成調(diào)試、編譯、下載到板卡之后，就需要在主控計算機上創(chuàng)建一個用戶界面程序Host vi。在用戶界面應(yīng)用程序中可以完成一些實時性要求不高的操作，例如配置系統(tǒng)參數(shù)，管理數(shù)據(jù)等。Host vi通過FPGA接口函數(shù)與FPGA vi進行通信，以及處理中斷。FPGA接口函數(shù)面板會在安裝LabVIEW FPGA模塊之后，自動添加到LabVIEW的函數(shù)面板中。LabVIEW函數(shù)面板中的FPGA接口函數(shù)面板如圖4所示。
2 不同時鐘域的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸
本文中的中頻信號生成系統(tǒng)是將主控計算機模擬生成的數(shù)據(jù)通過FPGA送到AD9857發(fā)送出去。數(shù)據(jù)進入FPGA的速率為52 MB/s，由于計算機的非實時性呈現(xiàn)斷續(xù)的形式，其實際的速率要低一些；數(shù)據(jù)傳出FPGA時，其數(shù)據(jù)位寬為16b，輸出頻率為10MHz，固其持續(xù)傳輸速率為20MB/s。數(shù)據(jù)進入FPGA的速率高于出FPGA的速率，這就造成數(shù)據(jù)在不同時鐘域之間傳輸?shù)膯栴}。為了避免數(shù)據(jù)的溢出和保證數(shù)據(jù)連續(xù)性，本文使用DMA FIFO作為主控計算機與FPGA之間的緩存。它的存儲空間包括兩部分：一是主控計算機部分，主控計算機開辟一塊內(nèi)存作為FIFO緩存；二是FPGA部分，F(xiàn)IFO占用部分Block Memory資源作為緩存。二者共同組成一個完整的FIFO，通過PXIe總線傳遞數(shù)據(jù)。FIFO的傳輸機制是：主控計算機首先把一個數(shù)組的數(shù)據(jù)存入作為FIFO緩存的內(nèi)存中；DMA控制器會自動查詢FPGA上的FIFO剩余空間，當(dāng)滿足緩存剩余空間大于數(shù)據(jù)塊容量的條件時，控制器通過PXIe總線把整個數(shù)據(jù)塊一并送入FPGA上的FIFO中；FPGA FIFO再將數(shù)據(jù)順序送出。
若在主控計算機向FIFO兩次寫入數(shù)據(jù)的間隔期間，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)保持不被讀空，就能保證輸出FPGA的數(shù)據(jù)是連續(xù)的。而合適的FIFO深度是FIFO不被讀空的基礎(chǔ)，所以確定FIFO深度的設(shè)定方法是數(shù)據(jù)在不同時鐘域之間實現(xiàn)連續(xù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。
3 FIFO深度的設(shè)定方法
3.1 FPGA FIFO深度的設(shè)定
DMA控制器將數(shù)據(jù)從主控計算機內(nèi)存整塊的傳送到FPGA的FIFO緩存中，所以FIFO的深度要大于數(shù)據(jù)塊的大小。LabVIEW FPGA里塊存儲FIFO是以2 KB大小來應(yīng)用的。DMA FIFO使用RIO設(shè)備可獲取的內(nèi)置RAM來存儲數(shù)據(jù)信息，該存儲空間與內(nèi)存讀/寫是共享的。所以要留一部分RAM空間進行內(nèi)存的讀/寫，F(xiàn)IFO的最大值為RAM容量減去16 KB。PXIe-5641R的RAM的容量是1 098 KB，所以，F(xiàn)PGAFIFO的深度設(shè)定范圍為2～1 082 KB。
另一方面，實際上LabVIEW為了能使FPGA高效運行，對Block Memory方式FIFO的大小作了規(guī)定，其大小只能為2M-1(數(shù)據(jù)由FPGA傳向主控計算機)或2M+5(數(shù)據(jù)由主控計算機傳向FPGA)，M為數(shù)據(jù)的地址寬度；當(dāng)設(shè)定值不是這些標(biāo)準(zhǔn)值時，LabVIEW會自動的放大到距其最近的一個標(biāo)準(zhǔn)值。這樣就確定了FPGAFIFO的深度，但是還不能保證數(shù)據(jù)能夠連續(xù)輸出。
3.2 主控計算機FIFO深度的設(shè)定
由于對主控計算機內(nèi)存部分FIFO的讀/寫是以數(shù)組形式斷續(xù)進行的。所以，數(shù)組的長度和兩次寫入的間隔時間是能否保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的重要參數(shù)，同時考慮到數(shù)據(jù)輸出FPGA是連續(xù)且頻率固定的。根據(jù)FIFO不讀空的原則推測：當(dāng)寫入內(nèi)存的數(shù)組的長度N與數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存的時間T和數(shù)據(jù)輸出FPGA的頻率F之間滿足如下的關(guān)系時，就能做到數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸：
N/T>F (1)
鑒于主控計算機操作系統(tǒng)的非實時性，需要將主控計算機FIFO深度D的大小設(shè)定為N的若干倍；通過大量實驗并與NI工程師討論，確定當(dāng)FIFO的深度D的大小為N的3～5倍時，可完全滿足數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)囊蟆?/p>
3.3 實驗驗證
數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存的時間與主控計算機運行速度以及數(shù)組的大小有關(guān)。表1所示的是數(shù)組長度和寫入內(nèi)存的時間與輸出數(shù)據(jù)連續(xù)性之間關(guān)系的實驗結(jié)果。其中，平均寫入內(nèi)存時間指的是同一個數(shù)組循環(huán)執(zhí)行寫入操作10萬次得到的平均結(jié)果。輸出FPGA的速率為10 MHz。
當(dāng)數(shù)組長度較小時，單位時間內(nèi)寫入到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)較少，內(nèi)存里的數(shù)據(jù)不能滿足FPGA FIFO讀取數(shù)據(jù)的需求，在下一組數(shù)據(jù)到達之前內(nèi)存里的數(shù)據(jù)已經(jīng)讀空，故輸出的數(shù)據(jù)不能連續(xù)。當(dāng)數(shù)組長度增大之后，單位時間寫入到內(nèi)存的數(shù)據(jù)量也隨之增大，內(nèi)存里的數(shù)據(jù)能夠滿足FP-GA FIFO讀取數(shù)據(jù)的需求，在內(nèi)存讀空之前把下一組數(shù)據(jù)送入了內(nèi)存，所以輸出的數(shù)據(jù)能夠保持連續(xù)性。實驗結(jié)果驗證了上述推測公式的正確性。
4 數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)腖abVIEW實現(xiàn)
在本文中系統(tǒng)軟件包括兩部分：Host vi和FPGAvi，二者是獨立而又有聯(lián)系的兩個部分。Host vi運行于主控計算機上，F(xiàn)PGA vi運行于FPGA上，二者通過FIFO來傳輸數(shù)據(jù)。
4.1 FPGA程序設(shè)計
使用圖形化的編程環(huán)境LabVIEW FPGA模塊來定義FPGA邏輯，除了具有上述的優(yōu)點以外，LabVIEW作為一種并行結(jié)構(gòu)的編程語言，非常適用于FPGA的并行結(jié)構(gòu)，能夠十分方便地實現(xiàn)多線程并行任務(wù)。
當(dāng)FPGA vi開始運行時，從Host vi讀取數(shù)據(jù)的FIFO需要一定的初始化時間，時間長度與FIFO的深度成正比。在初始化期間FIFO輸出一系列的無效默認(rèn)值。為了不讓無效值進入到下一級的運算中，在DMA方式的FIFO之前加了一個FIFO函數(shù)——Get Number of Element to Read，該函數(shù)用于獲得FIFO內(nèi)有效數(shù)據(jù)的數(shù)量。當(dāng)有效數(shù)據(jù)的數(shù)量大于0時，再開始進行下一級運算?？紤]到FPGA有限的硬件資源和FPGA FIFO最小值的限制，將數(shù)據(jù)的地址寬度設(shè)為M=11，根據(jù)上文分析DMA FIFO的深度設(shè)為2M+5=2 053 KB。
4.2 主控計算機程序設(shè)計
Host vi是系統(tǒng)程序的另一部分部分，它具有建立硬件對象(FPGA)、與硬件通信和圖形顯示等功能。主控計算機程序圖如圖6所示，首先要建立與之進行通信的硬件對象，即FPGA；其次配置系統(tǒng)時鐘、輸出模式；再次創(chuàng)建FIFO，設(shè)置其在主控計算機部分的FIFO深度；然后從電子表格讀取數(shù)據(jù)，并循環(huán)查詢FIFO剩余空間的大小，當(dāng)剩余空間大于數(shù)組長度時，數(shù)據(jù)寫入FIFO當(dāng)沒有足夠的空間時，數(shù)據(jù)保留到下一個循環(huán)，滿足條件后再寫入FIFO；最后關(guān)閉FIFO應(yīng)用，處理錯誤。
當(dāng)輸入數(shù)組長度分別為300和1000，形狀如圖7所示的波形時，輸出數(shù)據(jù)的波形如圖8所示。由于AD9857上變頻的原因，使得輸出波形在輸入的矩形包絡(luò)中帶有載波，載波頻率為60MHz。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：此處的編程和上述實驗的結(jié)果是一致的，即FPGA輸出頻率為10MHz，數(shù)組長度大于500時，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出是連續(xù)。同時此結(jié)果也表明本文中的LabVIEW程序?qū)崿F(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。
5 結(jié)語
通過設(shè)定合適的FIFO深度，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，為后續(xù)的工程設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。該設(shè)定FIFO深度的方法也對其他使用LabVIEW FPGA模塊的工程設(shè)計具有一定的參考價值。