孩子都能学会的FPGA：第十四课——FPGA的乒乓操作

chdaj58 · 发表于 2023-11-28 16:31:41

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本帖最后由 chdaj58 于 2023-11-28 16:35 编辑

（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如需整个工程请留言（WX：Blue23Light），不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

乒乓操作法是FPGA 开发中的一种数据缓冲优化设计技术，可以看成是一种形式的流水线技术。输入的数据流在通过“输入数据流选择单元”时，时间等分地将数据流分配到两个数据缓冲模块内。数据缓冲模块可以是FPGA 中的任何存储模块，如双口RAM、单口RAM 和FIFO等。在第一个缓冲周期，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1; 在第二个缓冲周期，通过“输入数据流选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块2”，同时将“数据缓冲模块1”缓存的第一个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的选择，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理:而在第三个缓冲周期，通过“输入数据流选择单元”的再次切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块1”，同时将“数据缓冲模块2”缓存的第二个周期的数据通过“输出数据流选择单元”的切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理，如此循环往复。

简单的解释就是我们常说的工厂里面的两班倒，把工人分成白班和夜班，白班的工人是白天上班，晚上休息，夜班的工人是白天休息，晚上上班，这样就能保证机器是时刻工作着，产生最大的效益。而FPGA的乒乓操作一般是两个缓存，数据交替着写入两个缓存，同时交替着读出缓存，让数据以最大的带宽进行传输。

乒乓操作的好处就是用两个缓存来处理数据，而且在同一个时刻一个缓存只负责写，另一个缓存只负责读，不会对一个缓存同时进行读写，从而降低了控制的难度！如果仅仅读数据流进行控制，双口RAM或者FIFO都可以实现，但是要同时进行读写，很容易引起读写的冲突！

将起来可能不太直观，下面同时一个工程实例来说明。要求是系统时钟是100MHz，低电平复位，一个RAM用于0-255递增数据的读写，另一个RAM用于255-0递减数的读写，最终输出的是0-255-0的三角波。

设计如下所示，主要通过wea和web信号控制数据的读写，wea和web是高电平的时候写ram，低电平的时候读ram，addra和addrb分别是RAM的读写地址信号，dina和dinb分别是RAM的输入信号，douta和doutb分别是ram的输出信号。

设计要点就是wea和web一定是相反的，就是wea高的时候web一定低，就是wea低的时候web一定高，就是ram0写的时候ram1一定是在读，ram0读的时候ram1一定是在写！因为用到的ram都是256深度的，地址计数都是0-255，&addra的意思是对addra的每一位取&，就是addra的8位全部都是1的时候&addra才是1，这时候将wea反转。

其实addra和addrb是同步一直累加的，当累加到最大值255的时候清零再重新进行累加。

dina在wea为高的时候产生0-255的递增数，在wea为低的时候保持为0。dinb在web为高的时候产生255-0的递减数，在web为低的时候保持为255。

把两个ram例化一下。

最后将两个ram中输出的数据合并后输出，之所以把wea和web都打一拍，是因为ram中读数据会延迟一拍，就是在当前时刻读addra=0地址的数据，必须要等到下个时钟周期才能把数据读出来。

双击sim目录下的top_tb.bat文件，完成自动化的仿真。

仿真波形如下所示。

采用模拟信号的方式看更明显，dina输入的是递增数，dinb输入的是递减数，而dout输出的是三角波。

本实例主要是演示FPGA的乒乓操作，实用性可能不太大，在实际的应用中，比如图像的处理，常常用到乒乓操作，就是数据边传输边处理。后续在图像处理的专项中会详细介绍。