目錄

????????原理介紹

????????同步FIFO的工作方式

????????FIFO空滿的產(chǎn)生

????????計(jì)數(shù)器判斷空滿

????????代碼

????????????????Dual Port RAM

????????????????sync_FIFO

????????????????testbench

????????波形圖

原理介紹

? ? ? ? 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時，會包含工作在不同時鐘頻率下的元件，例如處理器和外設(shè)。數(shù)據(jù)在這些元件之間傳輸時先進(jìn)先出（FIFO first in first out）陣列起到了重要作用。FIFO是用于對在通信總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行排列的簡單存儲結(jié)構(gòu)。

? ? ? ? 因此，F(xiàn)IFO常用來傳輸跨不同時鐘域的數(shù)據(jù)。

? ? ? ? 本節(jié)介紹簡單的同步FIFO架構(gòu)，讀寫使用同樣的時鐘，為我們后續(xù)寫異步FIFO（讀寫時鐘非同源）做鋪墊。

? ? ? ? 下面給出了一個同步FIFO的通用架構(gòu)，DPRAM（Dual Port RAM 雙端口RAM）作為存儲器來存儲信息，在此之上添加判斷DPRAM空滿信息的組件后，整個模塊就是一個同步FIFO了，讀寫分別使用不同的使能和地址信號（讀、寫使能，讀、寫地址分立），使得整個模塊可以進(jìn)行同時讀寫。

? ? ? ? ?通過讀、寫指針產(chǎn)生各自的讀、寫地址，送到讀、寫端口。寫指針指向下一個要寫入的地址，讀指針指向下一個要讀取的地址。有效寫使能使得寫指針遞增， 有效的讀使能使讀指針遞增。

? ? ? ? 圖中的“狀態(tài)模塊”產(chǎn)生FIFO的空滿信號，如果“fifo_full”有效，則說明FIFO內(nèi)部的空間已滿，不能再寫入數(shù)據(jù)。如果“fifo_empty”有效，則說明FIFO內(nèi)乜有可供讀取的下一個有效數(shù)據(jù)。通過對讀寫指針位置的判斷，該模塊也可以指示出任意時刻FIFO中空或滿區(qū)域的個數(shù)。

同步FIFO的工作方式

? ? ? ? 復(fù)位后，讀寫指針都?xì)w0。此時“fifo_empty”信號置為有效而“fifo_full”保持低電平。因?yàn)镕IFO為空，所以阻止對FIFO的讀操作，只能進(jìn)行寫操作。后續(xù)的寫操作會增加寫指針的值，并將“fifo_empty”信號置為無效。在寫到最后一個數(shù)據(jù)時，寫指針等于RAM_SIZE-1。此時進(jìn)行一個寫指針會使寫指針滾回到0，并將“fifo_full”信號置為高電平。

? ? ? ? 總之，在讀、寫指針相等時，F(xiàn)IFO要么空要么滿，所以需要對兩種情況進(jìn)行區(qū)分。

FIFO空滿的產(chǎn)生

? ? ? ? 以深度為4的FIFO為例，一開始讀寫指針指向同一個位置，F(xiàn)IFO為空。寫入三個數(shù)據(jù)之后，寫指針指向RAM_SIZE-1=3的位置，此時再寫入一個數(shù)據(jù)，寫指針（wr_ptr）滾回0，和讀指針指向同一個位置，此時FIFO為滿。

? ? ? ? 根據(jù)這種邏輯，很容易推導(dǎo)出這么一個結(jié)論：無論讀寫指針此時指向什么位置，當(dāng)wr_ptr+1==rd_ptr時，F(xiàn)IFO再寫入一個數(shù)據(jù)就滿了，所以有：?

? ? ? ? fifo_full =?（rd_ptr == (wr_ptr + 1'b1)）&& wr_fifo

從而有判斷FIFO為滿的RTL 代碼：

? ? ? ? 類似的，當(dāng)讀操作使得兩個指針在下一個時鐘相等時，F(xiàn)IFO變空，產(chǎn)生“fifo_empty”信號。有如下關(guān)系：無論讀寫指針此時指向什么位置，當(dāng)rd_ptr+1==wr_ptr時，F(xiàn)IFO再讀出一個數(shù)據(jù)就空了。

? ? ? ? fifo_empty?= （wr_ptr == (rd_ptr + 1'b1)）&& rd_fifo

從而有判斷FIFO為空的RTL 代碼：?

計(jì)數(shù)器判斷空滿

????????FIFO還有另一種利用計(jì)數(shù)器來指示FIFO空滿的方法。

? ? ? ? 計(jì)數(shù)器的寬度要與FIFO的深度相等，這樣計(jì)數(shù)器才能記錄FIFO數(shù)據(jù)的最大個數(shù)。計(jì)數(shù)器在復(fù)位時初始化為0，隨后的任何寫操作會將其遞增1，任何讀操作會使其遞減1。

? ? ? ? 在計(jì)數(shù)器為0時，很容易判斷FIFO處于空狀態(tài)，而當(dāng)計(jì)數(shù)器的值等于FIFO的大小時，就能判斷FIFO處于滿狀態(tài)。

? ? ? ? 對于這種采用計(jì)數(shù)器來判斷空滿的方式實(shí)現(xiàn)比較簡單，但是和上一個比較讀寫指針位置的方法相比資源占用會高一些。因?yàn)檫@種方法要求增加額外的硬件（計(jì)數(shù)器）來進(jìn)行計(jì)數(shù)。

代碼

????????簡單來說，F(xiàn)IFO就是一個有判斷空滿邏輯的雙端口RAM，下面我們來寫一下以指針循環(huán)一周期判斷空滿的方式的同步FIFO，但是在之前我們先要寫一個雙端口RAM來存儲數(shù)據(jù)。

Dual Port RAM

????????整個雙端口RAM其實(shí)就是一個簡單的寫使能時，把數(shù)據(jù)寫入輸入的寫地址。讀使能時，把數(shù)據(jù)從地址里讀出來的那么一個功能，后續(xù)在FIFO中例化該Dual Port RAM模塊。

sync_FIFO

? ? ? ? 此外，還寫了一個判斷位寬的函數(shù)clog.v

testbench

波形圖

? ? ? ? 仿真結(jié)果和分析的結(jié)果一致， 寫入16個數(shù)據(jù)將FIFO寫滿，此時full信號拉高；讀出16個數(shù)據(jù)將FIFO讀空，此時empty信號拉高；寫入8個數(shù)據(jù)之后，同時讀寫，寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)均保持一致，功能正確。

????????了解了同步FIFO的設(shè)計(jì)方法后，再進(jìn)行異步FIFO的設(shè)計(jì)就比較簡單了，下篇博客記錄如何寫一個異步FIFO，解決FIFO中跨時鐘域的問題。