多通道高速数据采集系统中海量缓存的设计

　　1　系统设计方案

　　随着计算机处理数字信息技术的不断发展,数据采集技术作为数字化信息的关键技术也越来越重要,在许多应用场合要求数据采集系统有很高的采样率,但是目前PC与数据采集系统之间的通信,大部分是基于IS总线结构的,这种结构最大的缺点是数据传输速率太低,因此在多通道高速数据采集系统中必须使用海量缓存。

　　具体地讲,就是设计一个外部海量缓存,存储采集系统采集的数据,并且实现与PC之间的数据通信。就目前而言,PC与外部缓存的接口有三种:I/O方式、DMA方式和内存直接映像方式。本系统主要采用内存直接映像方式,采用这种方法的优点在于所有访问主存储器的指令也以同样的方式访问外部缓存。

　　数据采集系统的主要指标有:1.5MHz采样率,12bit分辨率,输入为四通道,系统存储器的容量为16M~32M字节。对于这种大容量存储器,如果使用静态存储器SRAM或双端口RAM价格太昂贵,因此我们采用了低成本的动态随机存储器DRAM(计算机内存条)作为存储体,利用ISA总线技术,实现了数据采集系统与PC之间的数据缓存、传输,但是由于采用了DRAM,从而增加了系统设计的技术难度。本系统采用了两个72线内存条插槽,用户可根据需要选用8M、16M、32M内存条组成16M~64M字节的大容量缓存,系统根据内存直接映像法将缓存分成多个32K大小的页面映射到D0000~D7FFF段,并且可以进行字节、字和双字数据传输。海量缓存系统的设计框图如图1所示。

　　2　系统总线的设计

　　2.1　数据总线的设计

　　在系统中存在三种数据总线:数据采样器A/D的数据线AD0~AD31;PC ISA总线的数据线SD0~SD15;系统局部数据线MD0~MD31。因此这部分主要包括数据锁存器和数据缓冲器,其中关键在于对缓冲器的控制,从而使系统能对数据进行字节、字和双字作,并且协调三种数据总线的转换和握手。

　　2.2　地址总线的设计

　　在系统中存在三种地址总线:PC ISA总线的地址线SAi、数据采样器A/D的写地址线Ai、系统局部地址线MAi。由于我们对内存条采用了列选先行选后的刷新方式,刷新地址由内存条内部提供,所以我们勿需在外部向内存条提供刷新地址,从而减小了设计的复杂度。这部分包括A/D地址产生器、页面地址寄存器、页面地址缓冲器、段地址译码器和行列地址转换器。这些电路根据缓存容量的大小产生了A/D写缓存的地址,并实现了内存直接映像功能。

　　3　系统信号的产生

　　在本系统中存在三种行、列选信号和两种读写信号:数据采样器A/D写缓存的RASi、CASi信号和写信号AWE; PC通过ISA总线读写缓存的RASi、CASi信号和读写信号PWE;刷新时的RASi、CASi信号。这部分电路受总线仲裁器的控制,在不同的时刻产生所需的RASi、CASi和WE信号,设计这部分电路的关键在于弄清RASi、CASi和WE信号的时序,并根据缓存容量大小对高位地址和低位地址进行正确译码,使PC和数据采样器A/D对缓存的访问单元统一。