FPGA中双端口RAM常用——乒乓操作

“乒乓操作”通常指的是一种在系统中进行切换或交替操作的方式,像乒乓球一样来回反复。它可以应用于多种领域,尤其是在嵌入式系统、硬件设计以及信号处理中的缓冲区管理等方面。

在 FPGA 或 MCU 设计中,乒乓操作经常用来指代“双缓冲技术”(Double Buffering),即通过两个缓冲区交替进行数据读写,确保一个缓冲区在数据处理时,另一个缓冲区可用于新的数据接收或写入,从而提高系统的吞吐量和实时性。

首先,初始化两个FPGA中真双端口RAM块,均为空。

//初始化RAM块状态均为空
reg RAM_A_Status = `Empty;
reg RAM_B_Status = `Empty;

//Memory Copy 状态机
localparam s_idle   = 0;
localparam s_start  = 1;
localparam s_change = 2;
reg [1:0] RAM_State = s_idle;
reg PingPongSwitch = 1'd0;
always @(posedge CLK20 or negedge NRST) begin
   if(~NRST) begin
      RAM_State <= s_idle;
      PingPongSwitch <= 1'd0;                                                                                          //RAM写双缓存切换      
   end 
   else case(RAM_State)
      s_idle:
         if(RAM_A_Status == `Full) begin                                                                               //第一次运行开始配置,使第一缓存区连接LVDS TX,第二缓存区连接MPU
            RAM_State <= s_start;
            PingPongSwitch <= 1'd1;            
         end
         else begin
			RAM_State <= s_idle;
            PingPongSwitch <= 1'd0;    
		 end
      s_start:
         if(RAM_B_Status == `Full && !TxDataArea_Enable) begin                                         //当第二缓存区存完数据并且本次LVDS TX已从第一缓冲区读出完整数据发送,
            RAM_State <= s_change;
            PingPongSwitch <= 1'd0;            
         end                                                                                                           //                  此时第二缓存区连接LVDS TX,第一缓存区连接MPU
         else begin
			RAM_State <= s_start;
            PingPongSwitch <= 1'd1;    
		 end
	  s_change:
         if(RAM_A_Status == `Full && !TxDataArea_Enable) begin                                         //当第一缓存区存完数据并且本次LVDS TX已从第二缓冲区读出完整数据发送,
            RAM_State <= s_start; 
            PingPongSwitch <= 1'd1;            
         end                                                                                                           //                  此时第一缓存区连接LVDS TX,第二缓存区连接MPU
         else begin
			RAM_State <= s_change;
            PingPongSwitch <= 1'd0;    
		 end
   endcase
end

其实归根结底就相当于多增加一块RAM,两块RAM去存数据。

### VDMA在FPGA中实现乒乓缓存的设计与应用 #### 1. 乒乓缓存的概念及其重要性 乒乓缓存是一种常见的双缓冲技术,在实时数据处理系统中广泛应用。通过交替使用两个独立的存储区,可以在一个存储区用于写入新数据的同时,另一个存储区则可用于读取旧数据并进行处理。这种机制能够有效解决输入输出速率不匹配的问题,并减少等待时间。 对于VDMA而言,其设计初衷是为了高效管理帧图像数据的传输和缓存[^1]。因此,在FPGA上利用VDMA模块配合乒乓缓存架构可以显著提升视频流处理性能,特别是在需要频繁切换不同分辨率或刷新率的应用场景下更为明显[^4]。 #### 2. 使用VDMA实现乒乓缓存的具体方法 为了更好地理解如何基于VDMA构建乒乓缓存方案,下面给出了一种可能的技术路线: - **初始化阶段** 配置好两组独立但相同大小的DDR SDRAM作为主备缓冲池A/B,每组都连接至同一个VDMA实例下的源/目的地地址空间内。 - **运行期间的操作** 当前正在接收来自外部摄像头或其他传感器传来的原始图像帧时,默认先向Buffer A填充最新到达的数据包;与此同时,另一路逻辑电路可以从已经填满的有效帧(假设位于Buffer B)里提取所需信息执行诸如缩放、滤波等预设操作。 完成一轮完整的I/O周期之后,则立即交换两者角色——即刻停止往原Buffer A继续追加新的条目转而开始更新备用队列B里的内容直至再次达到饱和状态为止;反之亦然。 ```verilog // Verilog伪代码展示简单的乒乓控制逻辑 module ping_pong_buffer_controller( input wire clk, input wire rst_n, output reg select_A, // 控制信号:选择A还是B // ...其他接口定义... ); always @(posedge clk or negedge rst_n) begin : proc_select if (!rst_n) select_A <= 1'b0; else /* 这里可以根据具体应用场景调整触发条件 */ select_A <= ~select_A; end endmodule ``` 上述Verilog片段仅展示了最基本的双向切换思路,实际部署过程中还需要考虑更多细节因素如同步问题、错误恢复策略以及优化路径规划等方面的内容。 #### 3. 应用案例分析 考虑到某些特定类型的计算机视觉任务可能会涉及到多级流水线式的变换链路,此时采用乒乓缓存模式便显得尤为重要了。例如,在实施复杂的图像增强算法之前往往要经历初步去噪->特征抽取->最终渲染这样一个串行化的过程。借助于精心调配好的一对互补型暂存单元,不仅可以加快整体吞吐量而且有助于简化编程模型降低维护成本。 另外值得注意的是,当面对更加严苛的要求比如超高清画质支持或是低延迟交互体验追求的情况下,还可以进一步扩展基础框架引入额外辅助性的子系统共同协作完成更高级别的目标[^2]。
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