基于FPGA的FIFO實(shí)現(xiàn)

一、FIFO

1.1 定義

FIFO(First in First out)為先進(jìn)先出隊(duì)列，具有存儲(chǔ)功能，可用于不同時(shí)鐘域間傳輸數(shù)據(jù)以及不同的數(shù)據(jù)寬度進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配。如其名稱，數(shù)據(jù)傳輸為單向，從一側(cè)進(jìn)入，再從另一側(cè)出來，出來的順序和進(jìn)入的順序相同。

1.2 實(shí)現(xiàn)方式

FIFO可由多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，可以用塊狀RAM，分布式RAM來實(shí)現(xiàn)，也可直接使用IP核，當(dāng)數(shù)據(jù)較小時(shí)，建議使用分布式RAM實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)較大時(shí)，用塊狀RAM實(shí)現(xiàn)。

1.3 實(shí)現(xiàn)原理

FIFO組成包含存儲(chǔ)單元，寫時(shí)鐘，讀時(shí)鐘，滿標(biāo)志，空標(biāo)志，讀寫控制信號(hào)，當(dāng)讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘都是同一個(gè)時(shí)鐘時(shí)，則為同步FIFO，否則為異步FIFO。

a.首先，在復(fù)位操作后，在寫時(shí)鐘控制下，如果狀態(tài)非滿狀態(tài)，數(shù)據(jù)可寫入到FIFO中。每寫一次數(shù)據(jù)，寫指針加一，寫滿后將不允許再寫入；

b.當(dāng)FIFO中數(shù)據(jù)非空時(shí)，在讀時(shí)鐘的控制下，數(shù)據(jù)可從FIFO中讀出。每讀一次數(shù)據(jù)，讀時(shí)鐘加一，位于下一個(gè)讀取的位置，在空狀態(tài)下，將不能繼續(xù)讀數(shù)據(jù)；

無論是同步FIFO還是異步FIFO，都是以雙口RAM為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)。

二、代碼實(shí)現(xiàn)

代碼為書籍《FPGA應(yīng)用技術(shù)及實(shí)踐》中5.3.3 FIFO設(shè)計(jì)中的代碼，相比原代碼中，對(duì)read/write為00時(shí)，對(duì)count的值變化進(jìn)行了修改，修改為count<=count更合理，設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)4X16的同步FIFO

module FIFO_V(rst,clk,data_in,data_out,read,write,empty,full );

input rst,clk;

input [15:0] data_in;

output reg [15:0] data_out;

input read,write;

output empty,full;

parameter depth=2,max_count=2'b11;

reg empty,full;

reg [depth-1:0] tail;

reg [depth-1:0] head;

reg [depth-1:0] count;

reg [15:0] fifomem [0:max_count];

//讀空判斷

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

data_out<=16'h0000;

end

else if(read==1'b1&&empty==1'b0)

begin

data_out<=fifomem[tail];

end

end

//寫滿判斷

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1'b0&&write==1'b1&&full==1'b0)

fifomem[head]<=data_in;

end

//寫操作

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

head<=2'b00;

else

begin

if(write==1'b1&&full==1'b0)

head<=head+1;

end

end

//讀操作

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

tail<=2'b00;

end

else if(read==1'b1&&empty==1'b0)

begin

tail<=tail+1;

end

end

//讀寫操作下的計(jì)數(shù)

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

count<=2'b00;

end

else

begin

case({read,write})

2'b00:count<=count;

2'b01:if(count!=max_count) count<=count+1;

2'b10:if(count!=2'b00) count<=count-1;

2'b11:count<=count;

endcase

end

end

//隊(duì)列空狀態(tài)判斷

always@(posedge clk)

begin

if(count==2'b00)

empty<=1'b1;

else

empty<=1'b0;

end

//隊(duì)列滿狀態(tài)判斷

always@(posedge clk)

begin

if(count==max_count)

full<=1'b1;

else

full<=1'b0;

end

endmodule

測試代碼

對(duì)于read和write信號(hào)，盡量避免在時(shí)鐘上升沿時(shí)進(jìn)行狀態(tài)變化，如此處write翻轉(zhuǎn)在201ns，read翻轉(zhuǎn)在#252，即避免了和時(shí)鐘的上升沿同步，也避免了和write翻轉(zhuǎn)的同步

`timescale 1ns / 1ps

module FIFO_tb( );

reg clk,rst,write,read;

reg [15:0] data_in;

wire [15:0] data_out;

wire empty,full;

FIFO_V FIFO_test (.clk(clk),.rst(rst),.data_in(data_in),.write(write),.read(read),.empty(empty),.full(full),.data_out(data_out));

//初始狀態(tài)賦值

initial

begin

clk=0;

rst=1;

data_in=16'h1111;

#51 rst=0;

end

//寫操作

initial

begin

write=1;

#201 write=1;

#30 write=0;

#200 write=1;

#85 write=0;

//#10 write=1;

//#60 write=0;

end

//讀操作

initial

begin

read=0;

#252 read=1;

#200 read=0;

#100 read=1;

end

//輸入信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)生成

always #20 data_in=data_in+16'h1111;

always #10 clk=~clk;

endmodule

三、仿真結(jié)果

3.1 復(fù)位階段

在起始的50ns內(nèi)，復(fù)位信號(hào)rst（紅色標(biāo)注）為1時(shí)，進(jìn)行復(fù)位操作，如黃色定位線所示，輸出data_out為0，empty和full標(biāo)志為0；

3.2 寫入階段

在110.1ns時(shí)開始寫入，時(shí)間點(diǎn)不是110ns而是多了0.1ns是由于modelsim默認(rèn)的開始時(shí)刻是0.1ns開始；因?yàn)閏ount原先一直處于初始化狀態(tài)2'b00，在此時(shí)因?yàn)閷懭脒M(jìn)行了empty的邏輯判斷，因?yàn)閑mpty為0；

在clk信號(hào)中1、2、3、4上升沿位置，即為寫入4個(gè)值：6666，7777，8888，9999，寫完后剛好寫滿，因此full標(biāo)志位在170.1ns處變?yōu)?，表示已寫滿無法再寫入。

3.3 讀取階段

在270.1ns時(shí)，read/write的值為1/0開始從FIFO中進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，在clk信號(hào)的1，2，3，4讀取了4個(gè)數(shù)值，根據(jù)data_out可知為6666，7777，8888，9999。讀出順序與寫入順序一致，即先入先出。

3.4 同時(shí)讀寫或不讀不寫

在450ns時(shí)，read/write都為1，讀寫同時(shí)進(jìn)行，并且empty為1，可知不進(jìn)行讀操作，count的邏輯。但因full為0，可以進(jìn)行寫入，此時(shí)進(jìn)行寫入，在4個(gè)clk周期寫滿，因此在530.1ns時(shí)full標(biāo)志位為1

在530ns和550ns時(shí)，read/write都為0，此時(shí)不讀也不寫入，因此輸出狀態(tài)不變，一直為9999，

原文鏈接：https://blog.csdn.net/zyp626/article/details/131620099