基于LabVIEW的FPGA模塊FIFO深度設(shè)定實(shí)現(xiàn)

為了解決基于LabVIEWFPGA模塊的DMAFIFO深度設(shè)定不當(dāng)帶來(lái)的數(shù)據(jù)不連續(xù)問(wèn)題，結(jié)合LabVIEWFPGA的編程特點(diǎn)和DMA FIFO的工作原理，提出了一種設(shè)定FIFO深度的方法。對(duì)FIFO不同深度的實(shí)驗(yàn)表明，采用該方法設(shè)定的FIFO深度能夠比較好地滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)囊?。研究結(jié)果對(duì)深入展開(kāi)研究和工程設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

　　引言

　　數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的速率高于傳出的速率，持續(xù)的傳輸會(huì)造成數(shù)據(jù)的溢出，斷續(xù)的傳輸可能會(huì)造成數(shù)據(jù)不連續(xù)。使用基于LabVIEW FPGA的DMA FIFO作為主控計(jì)算機(jī)和FPGA之間的緩存，若DMAFIFO深度設(shè)置的合適，F(xiàn)IFO不會(huì)溢出和讀空，那么就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出FPGA是連續(xù)的。

　　本文在介紹了LabVIEW FPGA模塊程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)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(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法正確、可行，程序設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)對(duì)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(gè)子模塊，使用該模塊可以通過(guò)圖形化的編程對(duì)NI公司RIO(Reconfigurable I/O)設(shè)備上的FPGA進(jìn)行配置。圖形化的程序直接在硬件上實(shí)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)RIO設(shè)備上的I/O接口的控制，可以靈活地對(duì)I/O信號(hào)進(jìn)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(kāi)發(fā)出來(lái)的系統(tǒng)具有開(kāi)發(fā)周期短、結(jié)構(gòu)模塊化、升級(jí)方便等優(yōu)點(diǎn)。例如，圖1表示了一個(gè)用LabVIEW FPGA模塊設(shè)計(jì)的程序，在FPGA上實(shí)現(xiàn)方波發(fā)生器。該方波發(fā)生器通過(guò)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(jì)與實(shí)現(xiàn)上都展現(xiàn)出了極大的靈活性。

　　1.1 LabVIEW FPGA程序開(kāi)發(fā)流程

　　使用LabVIEW FPGA模塊開(kāi)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(jì)算機(jī)上運(yùn)行程序，反復(fù)地調(diào)試、修改，直至程序正確無(wú)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(jì)算機(jī)上創(chuàng)建用戶界面程序Host vi，最終就完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　FPGA設(shè)備仿真器的打開(kāi)方法是：首先在“項(xiàng)目瀏覽器”窗口中的打開(kāi)“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(jí)子菜單中的“Development Computer with Simulated I/O”。然后再在FPGA vi中點(diǎn)擊“Run”按鈕，這時(shí)程序在FPGA的設(shè)備仿真器上運(yùn)行。

　　1.2 開(kāi)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(shí)現(xiàn)算法邏輯，包括信號(hào)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(jī)制等功能。通過(guò)LabVIEW FPGA模塊，可使用LabVIEW開(kāi)發(fā)環(huán)境和許多類似的功能。但是由于FPGA不支持浮點(diǎn)操作，所以LabVIEW FPGA模塊較之LabVIEW完整Windows版開(kāi)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(méi)有硬盤(pán)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(duì)象不管是FPGA設(shè)備還是FPGA仿真器，都可以訪問(wèn)LabVIEW FPGA函數(shù)。仿真器使用RIO設(shè)備的I/O接口，可在主機(jī)處理器上執(zhí)行邏輯算法。檢驗(yàn)vi設(shè)計(jì)中的一些簡(jiǎn)單性錯(cuò)誤，避免不必要的反復(fù)編譯，尤其是在程序比較大的時(shí)候可節(jié)省大量的時(shí)間，提高編程效率。也可使用仿真器驗(yàn)證vi的執(zhí)行流程，但無(wú)法驗(yàn)證硬件的確定性，若需要驗(yàn)證硬件性能的確定性，必須對(duì)FPGA vi進(jìn)行編譯。與其他FPGA開(kāi)發(fā)工具一樣，根據(jù)應(yīng)用程序的復(fù)雜程度和計(jì)算機(jī)資源的不同，編譯步驟可能要花上幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間。
1.3 開(kāi)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(jì)算機(jī)上創(chuàng)建一個(gè)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(shí)時(shí)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(guò)FPGA接口函數(shù)與FPGA vi進(jìn)行通信，以及處理中斷。FPGA接口函數(shù)面板會(huì)在安裝LabVIEW FPGA模塊之后，自動(dòng)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(shí)鐘域的數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸

　　本文中的中頻信號(hào)生成系統(tǒng)是將主控計(jì)算機(jī)模擬生成的數(shù)據(jù)通過(guò)FPGA送到AD9857發(fā)送出去。數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的速率為52 MB/s，由于計(jì)算機(jī)的非實(shí)時(shí)性呈現(xiàn)斷續(xù)的形式，其實(shí)際的速率要低一些;數(shù)據(jù)傳出FPGA時(shí)，其數(shù)據(jù)位寬為16 b，輸出頻率為10 MHz，固其持續(xù)傳輸速率為20 MB/s。數(shù)據(jù)進(jìn)入FPGA的速率高于出FPGA的速率，這就造成數(shù)據(jù)在不同時(shí)鐘域之間傳輸?shù)膯?wèn)題。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(jì)算機(jī)與FPGA之間的緩存。它的存儲(chǔ)空間包括兩部分：一是主控計(jì)算機(jī)部分，主控計(jì)算機(jī)開(kāi)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(gè)完整的FIFO，通過(guò)PXIe總線傳遞數(shù)據(jù)。FIFO的傳輸機(jī)制是：主控計(jì)算機(jī)首先把一個(gè)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(huì)自動(dòng)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(shí)，控制器通過(guò)PXIe總線把整個(gè)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(jì)算機(jī)向FIFO兩次寫(xiě)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(shí)鐘域之間實(shí)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(jì)算機(jī)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(chǔ)FIFO是以2 KB大小來(lái)應(yīng)用的。DMA FIFO使用RIO設(shè)備可獲取的內(nèi)置RAM來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息，該存儲(chǔ)空間與內(nèi)存讀/寫(xiě)是共享的。所以要留一部分RAM空間進(jìn)行內(nèi)存的讀/寫(xiě)，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(shí)際上LabVIEW為了能使FPGA高效運(yùn)行，對(duì)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(jì)算機(jī))或2M+5(數(shù)據(jù)由主控計(jì)算機(jī)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(shí)，LabVIEW會(huì)自動(dòng)的放大到距其最近的一個(gè)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(jì)算機(jī)FIFO深度的設(shè)定

　　由于對(duì)主控計(jì)算機(jī)內(nèi)存部分FIFO的讀/寫(xiě)是以數(shù)組形式斷續(xù)進(jìn)行的。所以，數(shù)組的長(zhǎng)度和兩次寫(xiě)入的間隔時(shí)間是能否保證數(shù)據(jù)連續(xù)性的重要參數(shù)，同時(shí)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(cè)：當(dāng)寫(xiě)入內(nèi)存的數(shù)組的長(zhǎng)度N與數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存的時(shí)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(shí)，就能做到數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸：

　　N/T>F (1)

　　鑒于主控計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)性，需要將主控計(jì)算機(jī)FIFO深度D的大小設(shè)定為N的若干倍;通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)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(shí)，可完全滿足數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存的時(shí)間與主控計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度以及數(shù)組的大小有關(guān)。表1所示的是數(shù)組長(zhǎng)度和寫(xiě)入內(nèi)存的時(shí)間與輸出數(shù)據(jù)連續(xù)性之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，平均寫(xiě)入內(nèi)存時(shí)間指的是同一個(gè)數(shù)組循環(huán)執(zhí)行寫(xiě)入操作10萬(wàn)次得到的平均結(jié)果。輸出FPGA的速率為10 MHz。

　　當(dāng)數(shù)組長(zhǎng)度較小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)寫(xiě)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(dá)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(zhǎng)度增大之后，單位時(shí)間寫(xiě)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(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上述推測(cè)公式的正確性。
 

4 數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)腖abVIEW實(shí)現(xiàn)

　　在本文中系統(tǒng)軟件包括兩部分：Host vi和FPGAvi，二者是獨(dú)立而又有聯(lián)系的兩個(gè)部分。Host vi運(yùn)行于主控計(jì)算機(jī)上，F(xiàn)PGA vi運(yùn)行于FPGA上，二者通過(guò)FIFO來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

　　4.1 FPGA程序設(shè)計(jì)

　　使用圖形化的編程環(huán)境LabVIEW FPGA模塊來(lái)定義FPGA邏輯，除了具有上述的優(yōu)點(diǎn)以外，LabVIEW作為一種并行結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言，非常適用于FPGA的并行結(jié)構(gòu)，能夠十分方便地實(shí)現(xiàn)多線程并行任務(wù)。

　　當(dāng)FPGA vi開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，從Host vi讀取數(shù)據(jù)的FIFO需要一定的初始化時(shí)間，時(shí)間長(zhǎng)度與FIFO的深度成正比。在初始化期間FIFO輸出一系列的無(wú)效默認(rèn)值。為了不讓無(wú)效值進(jìn)入到下一級(jí)的運(yùn)算中，在DMA方式的FIFO之前加了一個(gè)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(shí)，再開(kāi)始進(jìn)行下一級(jí)運(yùn)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(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　Host vi是系統(tǒng)程序的另一部分部分，它具有建立硬件對(duì)象(FPGA)、與硬件通信和圖形顯示等功能。主控計(jì)算機(jī)程序圖如圖6所示，首先要建立與之進(jìn)行通信的硬件對(duì)象，即FPGA;其次配置系統(tǒng)時(shí)鐘、輸出模式;再次創(chuàng)建FIFO，設(shè)置其在主控計(jì)算機(jī)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(zhǎng)度時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO當(dāng)沒(méi)有足夠的空間時(shí)，數(shù)據(jù)保留到下一個(gè)循環(huán)，滿足條件后再寫(xiě)入FIFO;最后關(guān)閉FIFO應(yīng)用，處理錯(cuò)誤。

　　當(dāng)輸入數(shù)組長(zhǎng)度分別為300和1 000，形狀如圖7所示的波形時(shí)，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60 MHz。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(shí)驗(yàn)的結(jié)果是一致的，即FPGA輸出頻率為10 MHz，數(shù)組長(zhǎng)度大于500時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出是連續(xù)。同時(shí)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(yǔ)

　　通過(guò)設(shè)定合適的FIFO深度，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的連續(xù)傳輸，為后續(xù)的工程設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。該設(shè)定FIFO深度的方法也對(duì)其他使用LabVIEW FPGA模塊的工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。