FIFO存储缓冲芯片IDT7203的原理及应用

    摘要：文章详细介绍了IDT公司生产的新型先进先出异步CMOS FIFO存储寄存器芯片IDT7203的组成结构、功能原理和运行方式，分析了它的字长和字深的扩展方法。给出了IDT7203芯片在虚拟示波器硬件系统设计中的应用方法。

    关键词：先进先出 存储器 单片机 数据传输 IDT7203

在某些高速数据传输和实时显示控制领域中，往往需要对数据实现快速存储和发送。而要实现这种高速数据的传输，则必须对数据进行快速采集、顺序存储和传送，而传统的存储器（如RAM系列）却无法胜任。IDT72XX系列是IDT公司新推出的先进先出（FIFO）存贮器芯片。它具有双口输入输出、采集传送速度快和先进先出的特点，能满足高速数据传输的要求。本文将结合笔者对该类芯片的实际应用体会来具体讨论异步CMOS FIFO IDT7203的性能[1]，以及它在虚拟示波器硬件系统设计中的应用。

1 IDT7203的内部结构及性能

IDT7203的内部结构原理如图1所示，从图中可知，该芯片是一个双端口的存储缓冲芯片，它结构简单，便于操作，并具有控制端、标志端、扩展端和内部RAM阵列，内部读、写指针在先进先出的基础上可进行数据的自动写入和读出。当有数据到数据输入端口（D0～D8）时，可由控制端W来控制数据的写。为了防止数据的写溢出，可用标志端满FF、半满HF来标明数据的写入情况。写入时由内部写指针安排其写入的位置。由于内部RAM阵列的特殊设计，先存入的数据将被先读出。如果需要数据外读，则可由控制端R来控制数据的读出情况。W、R由外部晶振提供脉冲。数据输出端口Q0～Q8是三态的，在无读信号时呈高阻态。“空EF”标志用来防止数据的空读；若需将内部数据重新读出可用控制端RT来实现。输入数据位D0～D8和输出数据位Q0～Q8提供9位输入输出位，可将其中一位用作控制或用户自定义。扩展端XI，XO、FT用来进行字深和字长的扩展，以便于多个芯片的组合使用。RS为复位端。需要注意的由：由于是异步输入输出，因此W、R不能同时有效。IDT7203的主要性能特点如下：

●先进先出；

●具有2048×9的存储结构；

●具有12ns的高速存取时间；

●低功耗：运行时为770mW(max)；掉电时为44mW(max)；

●可异步读出；

●可进行任意字深，字长的扩展；

●具有空、半满、满三个状态标志；

●具有重读功能；

●采用高性能的CMOS技术；

●使用温度范围为-40℃～+85℃。

2 引脚说明

IDT7203的引脚排列如图2所示，各主要引脚的功能如下：

W（WRITE ENABLE）：写入控制端。当无满标志，即FF为高时，在W的下降沿开始写周期。当存储器一半已满时，下一个W的下降沿置半满标志，即HF为低。为防止溢出，应在存储器最后一个数据写入时的W的下降沿置满标志，即FF为低。但此时已不能再对存储器进行写操作。

D0～D8：数据输入端口；

XI（EXPANSION IN）：扩展输入端。该端口接地表示单片操作。进行字深扩展时，应将此端与端一个芯片的XO口相连；

FF（FULL FLAG）：满标志。FF为低时，不能再对存储器进行写操作；

Q0～Q8：数据输出端口（三态）；

GND：接地端；

VCC：电源端口；

FL/RT（FIRST LOAD/RETRANSMIT）：扩展时第一个芯片标志/重读。这是一个双作用输入口。在字深扩展中，该端接地表示该芯片是芯片组中的第一个芯片。在非字深扩展应用中，该端为重读控制端；

RS（RESET）：复位端。RS为低时芯片复位以使读写指针恢复到初始位置。复位期间W、R必须为高；

EF（EMPTY FLAG）：空标志。当读指针等于写指针时数据已读空，这时EF为低以防止数据进一步读出；

XO/HF（EXPANSION OUT/HALF-FULL-FLAG）：扩展输出端/半空标志。在字深扩展应用时，该端连接到后一个芯片的XI口。在非字扩展应用时为半满标志端；

R（READ ENABLE）：读出控制端。无空标志时（即EF为高时），在R的下降沿开始读周期。为防止空读，在存储器最后一个数据读出时，R的下降沿置空标志（即EF为低）。这时不能再对存储器进行读操作。

3 运行方式

IDT7203具有以下六种运行方式；

（1）单片方式：当实际应用仅需2048个字存储单元或更少时，采用单片IDT7203。

（2）字长扩展方式：当实际应用需要每个字存储单元大于9位时，应采用多片IDT7203来扩展存储长度。

（3）字深扩展方式：当实际应用需要大于2048个字存储单元时，应采用多片IDT7203来扩展存储深度。

（4）双向工作方式：当实际应用需要数据在两个分别可读写的系统缓冲时，可用成对的IDT7203来实现。

（5）数据流通方式：该方式是一种边写边读的方式，即写一个数就读一个数。

（6）复杂扩展方式：该方式是一种结合字深扩展和字长扩展的结合方式。

在以上六种方式中，以前三种方式最为常见，下面简述这三种方式的实现过程。

（1）单片方式

要实现单片机方式只需将XI接地即可。这时FL/RT为重新控制端。XO/HF为半空标志端。

（2）字长扩展方式

将各个芯片相关的控制标志接在一起同时控制。状态标志可在任意一个芯片中获得。芯片输出的信号千万不要接在一起。这时FL/RT为重读控制端，XO/HF为半空标志。连接图如图3所示（以两个芯片为例）。

（3）字深扩展方式

扩展中的第一个芯片用FL/RT端接地来表示。其它芯片的FL/RT端为高电平。且每个芯片中的XO端必须接到下一个芯片的XI端。并将每个芯片的EF标志相“或”以构成新的空标志；而将每个芯片的FF标志也相“或”来构成新的满标志。RT和HF在字深扩展方式时不起作用。其连接图如图4所示（两个芯片）。

通过对以上几种运行方式的讨论，可以看到只要对芯片进行适当的组合就能满足不同的需要，并且操作简单，应用广泛。

4 IDT7203在虚拟示波器中的应用

4.1 硬件设计

IDT7203在要求数据传送较快时最为适用，比如要求时显示的场合。笔者在一个虚拟示波器硬件系统的设计中，需要将检波到的电压波形及时地在计算机屏幕中显示出来。因此，在设计时选取IDT7203系列中的IDT7203S/L12作为A/D转换的数据暂存，并通过它向计算机并口（打印口）[2]发送数据。整个设计中各芯片由单片机[3]统一控制，系统框图如图5所示。

设计中的信号由探头采集，在经过必要的幅度衰减等预处理后由A/D转换芯片将模拟信号转换为数字信号，再由IDR7203暂存并发送到计算机中。具体的硬件连接如图6所示（需图连接）。

4.2 应用说明

TLC5540用于将模拟信号转化为数字信号（A/D转换）。该芯片要求输入为正电压，所以在预处理后，应在其输入端加上肖特基二极管以进行保护。

AT89C51用于各控制各芯片与计算机之间数据传输和控制信号。图6中R1、R2是单片机的上拉电阻。M2是为单片机提供20MHz的晶振。

FXL晶振可提供40MHz的脉冲波。

FAL20V8以可编程阵列，在单片机控制下将FXL晶振提供的40MHz脉冲分频，以提供不同频率的晶振脉冲和软件脉冲。其输出为TLC5540、IDT7203提供脉冲。

由于打印口没有数据输入口，此设计用打印机适配器的四位状态字来作为向上传输数据的通道。利用74F257可将一个字节分为两次传送。

DB25为25针的打印机接口，用于和单片机传输数据和控制信息。

为进一步说明IDT7203的动作过程，图7简要给出单片机控制的读写软件框图。

5 结论

IDT7203性能优良，操作简单，使用方便。在笔者所设计的虚拟示波器硬件系统的实时采样显示应用中，DIT7203起了很好的作用。IDT7203系列因速度不同而有不同的型号，用户可按需要进行选取。在本文的应用中，笔者选择了存取时间为12ns的IDT7203S/L12.当然，也可以根据RAM阵列的不同来选择IDT720X系列的其它芯片，它们的引脚和原理与IDT7203相同。可以预见：IDT7203X系列芯片必将代替传统的存储缓冲芯片，并在高速数据传输的应用设计中起到重要的作用。