摘 要： 結(jié)合FPGA的結(jié)構(gòu)，針對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)" title="高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)">高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中觸發(fā)控制單元" title="控制單元">控制單元的特點(diǎn)，提出了采用優(yōu)化結(jié)構(gòu)的可變長(zhǎng)度移位寄存器" title="移位寄存器">移位寄存器改進(jìn)基于FPGA的觸發(fā)控制單元的方法，同時(shí)從器件的搭配和寄存器結(jié)構(gòu)兩方面探討了可變長(zhǎng)度移位寄存器的優(yōu)化方案，并給出了應(yīng)用示例。
關(guān)鍵詞： 觸發(fā)控制單元 可變長(zhǎng)度移位寄存器 FPGA
觸發(fā)控制單元是高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分，而可變長(zhǎng)度移位寄存器在觸發(fā)控制單元中起彈性緩存、數(shù)控延遲等作用。觸發(fā)控制單元根據(jù)不同的條件設(shè)置時(shí)間窗口，并對(duì)窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，在線完成實(shí)時(shí)事例選判和控制。由于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和事件多，不同時(shí)間窗口所需的移位寄存器的長(zhǎng)度變化會(huì)很大。一方面，觸發(fā)控制單元作為高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，常常與系統(tǒng)的其他組成部分共享有限的FPGA資源；另一方面，一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往有多路數(shù)據(jù)采集通道，需多個(gè)觸發(fā)控制單元支持。因此，提高資源利用率對(duì)構(gòu)建用于觸發(fā)控制的可變長(zhǎng)度移位寄存器來(lái)說(shuō)非常重要。
本文以最大可變長(zhǎng)度為N、寬度為1bit的移位寄存器為模型，討論如何從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化可變長(zhǎng)度移位寄存器和有效的FPGA實(shí)現(xiàn)。至于寬度不為1bit的情況，可以此類推。
1 可變長(zhǎng)度移位寄存器的常用結(jié)構(gòu)
通?？勺冮L(zhǎng)度移位寄存器的結(jié)構(gòu)可分為兩種：一種是輸入分支型(結(jié)構(gòu)A)，如圖1所示；另一種是輸出分支型(結(jié)構(gòu)B)，如圖2所示。
結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B有兩個(gè)共同點(diǎn)：第一，都是由觸發(fā)器鏈路加數(shù)據(jù)流向控制邏輯組成；第二，每級(jí)觸發(fā)器的輸入輸出都是信號(hào)節(jié)點(diǎn)，因而各級(jí)都需要對(duì)本級(jí)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)流向進(jìn)行控制。結(jié)構(gòu)A用n-to-2n譯碼器來(lái)控制信號(hào)流向，結(jié)構(gòu)B則用2n:1多路復(fù)用器" title="多路復(fù)用器">多路復(fù)用器控制信號(hào)流向。對(duì)于基本邏輯單元" title="邏輯單元">邏輯單元為查找表(LUT)＋觸發(fā)器(FF)＋多路復(fù)用器(MUX)結(jié)構(gòu)的FPGA來(lái)說(shuō)，直接采用結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B構(gòu)造較長(zhǎng)的移位寄存器時(shí)，觸發(fā)器鏈和復(fù)雜的組合邏輯會(huì)消耗很多資源，即這兩種結(jié)構(gòu)不宜用于較長(zhǎng)的可變長(zhǎng)度移位寄存器。
2 解決方案
為解決上述問(wèn)題，可以采用如下兩個(gè)方法：
(1)優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)的搭配。根據(jù)移位寄存器結(jié)構(gòu)類型，選擇適宜的FPGA芯片以提高資源利用率，降低資源消耗。
(2)優(yōu)化移位寄存器結(jié)構(gòu)。采用FPGA片內(nèi)RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)移位寄存器，利用片內(nèi)RAM速度快、數(shù)量大的優(yōu)點(diǎn)，直接減少基本邏輯單元的消耗，提高資源利用率。
2.1 優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)與硬件結(jié)構(gòu)的搭配
通過(guò)調(diào)整FPGA芯片類型與移位寄存器結(jié)構(gòu)類型的搭配，可以提高資源利用率，降低資源消耗。下面以結(jié)構(gòu)B為例，闡述如何應(yīng)用Xilinx公司的Spartan-3系列芯片高效地實(shí)現(xiàn)N=128的可變長(zhǎng)度移位寄存器。
2.1.1 實(shí)現(xiàn)原理
Spartan-3系列芯片的每個(gè)可配置邏輯塊CLB[1]如圖3所示，包含8個(gè)LUT、8個(gè)DFF和8個(gè)2:1多路復(fù)用器(4個(gè)F5MUX，2個(gè)F6MUX，1個(gè)F7MUX，1個(gè)F8MUX)，而每個(gè)LUT都能配置成移位寄存器模式(SRL)，相當(dāng)于一個(gè)16級(jí)的可逐級(jí)尋址的移位寄存器。如圖4所示，一個(gè)LUT就包含了構(gòu)成結(jié)構(gòu)B所需的全部要素，從而有效地實(shí)現(xiàn)N=16的可變長(zhǎng)度移位寄存器[2]。Q15是用于多級(jí)級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)N>16的移位寄存器的進(jìn)位輸出。
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2.1.2 應(yīng)用示例
利用Spartan-3系列芯片的一個(gè)CLB(相當(dāng)于8個(gè)基本邏輯單元)就可以構(gòu)成N=128的可變長(zhǎng)度移位寄存器，如圖5所示。作為對(duì)比，如果不調(diào)整FPGA芯片類型與移位寄存器結(jié)構(gòu)類型的搭配，比如直接采用Altera Cyclone II芯片，按結(jié)構(gòu)A實(shí)現(xiàn)N=128的可變長(zhǎng)度移位寄存器，則需消耗169個(gè)基本邏輯單元(由Quartus II編譯)。
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2.2 優(yōu)化移位寄存器結(jié)構(gòu)
通過(guò)優(yōu)化移位寄存器結(jié)構(gòu)，采用FPGA片內(nèi)RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)移位寄存器，利用片內(nèi)RAM速度快、數(shù)量大的優(yōu)點(diǎn)，直接減少基本邏輯單元的消耗，提高資源利用率。
2.2.1 實(shí)現(xiàn)原理
FPGA片內(nèi)RAM常見有兩種，一種是分布式RAM(Distributed RAM)，如Xilinx Spartan-3的LUT，每個(gè)LUT都可作為16位的RAM使用；另一種是嵌入式塊RAM(Block RAM)，如Xilinx Spartan-3的18KB塊RAM、Altera Cyclone II的4KB塊RAM(M4K)。結(jié)構(gòu)A與結(jié)構(gòu)B中，各級(jí)都需要對(duì)本級(jí)節(jié)點(diǎn)的信號(hào)流向進(jìn)行控制，這種形式限制了FPGA嵌入式塊RAM的使用。為此，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)C——梯級(jí)組合型，如圖6所示，這種結(jié)構(gòu)非常利于采用片內(nèi)RAM來(lái)實(shí)現(xiàn)移位寄存器。
分析結(jié)構(gòu)C，梯級(jí)組合型有兩個(gè)要素：一是2:1多路復(fù)用器，每個(gè)都有單獨(dú)的控制位，共n個(gè)，而且n〈〈N，二者呈指數(shù)關(guān)系；二是不同長(zhǎng)度的移位寄存器組成的梯級(jí)，初級(jí)(第0級(jí))由20=1個(gè)觸發(fā)器組成，第1級(jí)由21=2個(gè)觸發(fā)器鏈接組成，第2級(jí)由22=4個(gè)觸發(fā)器鏈接組成，...，第N級(jí)由2N個(gè)觸發(fā)器鏈接組成。在梯級(jí)組合型的結(jié)構(gòu)中，不需要對(duì)每個(gè)觸發(fā)器的輸入輸出都控制，只需通過(guò)控制位BI對(duì)各個(gè)梯級(jí)的輸入輸出控制就可以實(shí)現(xiàn)分辨率為1的長(zhǎng)度連續(xù)變化，寄存器的長(zhǎng)度N=BN×2N+…+B2×22+B1×21+B0×20。
例如，對(duì)于最大N=255(控制字為8位)且采用結(jié)構(gòu)C的可變長(zhǎng)度移位寄存器，要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為5的移位寄存器，只需設(shè)置控制字為00000101B即可；要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度為255的移位寄存器，只需設(shè)置控制字為1111111B即可。由于同一個(gè)梯級(jí)里，除頭尾兩級(jí)外，其他各級(jí)不再有信號(hào)流向控制，且各梯級(jí)觸發(fā)器鏈的長(zhǎng)度為2n，可以方便地利用FPGA嵌入式塊RAM和廠商提供的經(jīng)過(guò)優(yōu)化的宏功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度較大的梯級(jí)，從而提高資源利用率。
2.2.2 應(yīng)用示例
以Altera Cyclone II[3]的M4K為例，每個(gè)M4K塊RAM有4 608個(gè)存儲(chǔ)位(其中包括512個(gè)奇偶位)，操作頻率高達(dá)250MHz，M4K工作于移位寄存器模式時(shí)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，數(shù)據(jù)寬度(w)、每段長(zhǎng)度(m)、抽頭數(shù)(n)的關(guān)系可方便地在廠商提供的基于RAM的移位寄存器宏模塊“altshift_taps”中設(shè)置。當(dāng)w×m×n不大于4 608且w×m不大于36時(shí)，消耗一個(gè)M4K和少量基本邏輯單元；當(dāng)不能滿足上述兩項(xiàng)中任意一項(xiàng)，開發(fā)工具會(huì)自動(dòng)連接多個(gè)M4K。通過(guò)調(diào)整w、m、n的組合，M4K能以多種方式高效實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)C的梯級(jí)。
例如，構(gòu)造一個(gè)1024位的梯級(jí)，可以設(shè)置w=1、m=256、n=4，占用13個(gè)LUT，8個(gè)寄存器，1個(gè)M4K；構(gòu)造一個(gè)4 096位的梯級(jí)，可以設(shè)置w=1、m=256、n=16，依然只占用13個(gè)LUT，8個(gè)寄存器，1個(gè)M4K。為進(jìn)一步提高M(jìn)4K的利用率，可以設(shè)置w=32、m=128、n=1，只占用12個(gè)LUT，7個(gè)寄存器，1個(gè)M4K就能得到32個(gè)長(zhǎng)度為128位的移位寄存器段，將這些寄存器段自行連接，用一個(gè)M4K能同時(shí)得到如下的梯級(jí)：128位、256位(2段串連)、512位(2段串連)、1024位(8段串連)、2048位(16段串連)，最大限度地利用了M4K的RAM資源。
作為對(duì)比，仍以Altera Cyclone II芯片為例，如果用基于基本邏輯單元的移位寄存器宏模塊“LPM_SHIFTREG”來(lái)實(shí)現(xiàn)1 024位的梯級(jí)和4096位的梯級(jí)，則分別需1 024(256×4)個(gè)LUT和4096(256×16)個(gè)LUT，資源開銷較大?？梢?，結(jié)構(gòu)C非常利于實(shí)現(xiàn)可變長(zhǎng)度較長(zhǎng)的移位寄存器。
可變長(zhǎng)度移位寄存器是非常有用的邏輯結(jié)構(gòu)。對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)觸發(fā)控制單元來(lái)說(shuō)，應(yīng)用優(yōu)化后的可變長(zhǎng)度移位寄存器可以提高其信噪比，改善其可靠性和靈活性。另外，采用可變長(zhǎng)度移位寄存器可以減小死區(qū)時(shí)間，從而改善觸發(fā)控制單元重復(fù)觸發(fā)的性能。這些改善在本單位設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用中起到了良好的作用。
參考文獻(xiàn)
1 Spartan-3 FPGA family:complete data sheet. XILINX, 2004;3(8)
2 Using look-up tables as shift registers(SRL16) in Spartan-3 generation FPGAs. XILINX, 2005;1(5)
3 Cyclone II device handbook. Altera Corporation, 2005;1(11)