基于FPGA的異步FIFO設計方法詳解

在現(xiàn)代電路設計中，一個系統(tǒng)往往包含了多個時鐘，如何在異步時鐘間傳遞數(shù)據(jù)成為一個很重要的問題，而使用異步FIFO可以有效地解決這個問題。異步FIFO是一種在電子系統(tǒng)中得到廣泛應用的器件，文中介紹了一種基于FPGA的異步FIFO設計方法。使用這種方法可以設計出高速、高可靠的異步FIFO。

在現(xiàn)場可編程邏輯芯片的設計過程中不同模塊之間的數(shù)據(jù)接口尤其是不同時鐘系統(tǒng)的各個模塊之間的數(shù)據(jù)接口是系統(tǒng)設計的一個關鍵用異步FIFO模塊來實現(xiàn)接口，接口雙方都在自己時鐘的同步下進行工作它們之間不需要互相握手只需要跟接口FIFO模塊進行交互即可即向接口FIFO模塊中寫入數(shù)據(jù)或從FIFO模塊中讀出數(shù)據(jù)。用這樣一個緩沖FIFO模塊實現(xiàn)FPGA內(nèi)部不同時鐘系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口使設計變得非常簡單和容易所用的FIFO接口是XILINX公司提供的IP核。經(jīng)過充分測試和優(yōu)化，系統(tǒng)運行穩(wěn)定占用的FPGA內(nèi)部資源也非常少。

1 FIFO 類型

FIFO先進先出隊列是一種在電子系統(tǒng)得到廣泛應用的器件通常用于數(shù)據(jù)的緩存和用于容納異步信號的頻率或相位的差異FIFO的實現(xiàn)通常是利用雙口RAM 和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實現(xiàn)的圖1顯示出了FIFO 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

FIFO的功能框圖如圖2 所示

根據(jù)讀寫操作的同步/異步標志方案的同步/異步第一個寫操作以及復位功能的不同F(xiàn)IFO 存儲器可分為4 大類：

（1）異步FIFO。 通常只有兩個控制信號讀使能（ RE ）與寫使能（ WE）信號標志信號有全空標志（EF）全滿標志（FF） 可選半滿標志（HF）幾乎全滿標志（AF） 幾乎全空標志（AE）這些標志并不與任何時鐘或事件同步但是反映讀寫指針的即時對照。

（2）選通式FIFO。與異步FIFO存儲器相似選通FIFO通常使用讀寫選通UNCK和LDCK信號以及輸出使能OE信號這類FIFO 通常提供半滿標志（HF）可選幾乎滿標志（AF）幾乎空標志（AE）全空標志（EF）和全滿標志（FF）這些標志雖然反映讀寫指針但不與任何時鐘或事件同步。

（3）標準同步FIFO。同步FIFO需要自由運行的讀和寫時鐘RCLK 和WCLK 讀寫操作是與這些時鐘同步的控制信號包括讀使能信號FEN 寫使能信號WEN和輸出使能信號OE 標志方案使用全空標志全滿標志和半滿標志時序上不是FWFT 的因此寫入FIFO 的第一個字先停留在一個在存儲單元中。

（4）FWFT 同步FIFO。FWFT First Word Fall Through FIFO與標準FIFO相似它需要自由運行的讀時鐘和寫時鐘RCLK和WCLK讀寫操作與這些時鐘同步控制信號包括讀使能REN寫使能WEN以及輸出使能信號OE內(nèi)部結(jié)構(gòu)是首字直接通過First Word Fall Through 的即是寫入FIFO 的第一個數(shù)據(jù)單元直接進入輸出緩沖區(qū)而不是停在存儲器單元其標志方案是FWFT結(jié)構(gòu)的直接結(jié)果也與標準同步FIFO不同。FWFT FIFO 存儲器使用輸出預備OR和輸入預備IR標志而不使用全空標志和全滿標志。FWFT FIFO 也使用半空標志，也可選幾乎全空標志和全滿標志。

2 FPGA內(nèi)部軟FIFO的設計

FPGA中有幾個大容量的RAM，本文以XILINX公司Spartan-ⅡE系列芯片為設計芯片。在Spartan-ⅡE系列芯片中包含兩列Block RAM，并且沿垂直邊擺放。如圖3所示

不同的Spartan-ⅡE系列芯片的所包含的Block RAM個數(shù)和位數(shù)如表1所示：

FPGA 中的軟FIFO由三部分構(gòu)成：寫地址產(chǎn)生模塊、雙口RAM和讀地址產(chǎn)生模塊。如圖4所示

由圖4可以看出，寫地址產(chǎn)生模塊根據(jù)寫時鐘和寫有效信號產(chǎn)生遞增的寫地址，讀地址產(chǎn)生模塊根據(jù)讀時鐘和讀有效信號產(chǎn)生遞增的讀地址。FIFO的操作如下：在寫時鐘wr_clk的升沿，當wren有效時，將wr_data寫入雙口RAM中寫地址對應的位置中；始終將讀地址對應的雙口RAM中的數(shù)據(jù)輸出到讀數(shù)據(jù)總線上。這樣就實現(xiàn)了先進先出的功能。寫地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址關系產(chǎn)生FIFO的滿標志。當wren有效時，若寫地址+2=讀地址時，full為1；當wren無效時，若寫地址+ 1=讀地址時，full為1。讀地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址的差產(chǎn)生FIFO的空標志。當rden有效時，若寫地址-1=讀地址時，empty為 1；當rden無效時，若寫地址=讀地址時，empty為1。按照以上方式產(chǎn)生標志信號是為了提前一個時鐘周期產(chǎn)生對應的標志信號。

3 FPGA內(nèi)部軟FIFO的仿真

現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是在專用ASIC 的基礎上發(fā)展出來的，它克服了專用ASIC不夠靈活的缺點。與其它中小規(guī)模集成電路相比，它有很強的靈活性，即其內(nèi)部的具體邏輯功能可以根據(jù)需要配置，對電路的修改和維護很方便目前FPGA的容量已經(jīng)跨過了百萬門級使得FPGA 成為解決系統(tǒng)級設計的重要選擇方案之一。現(xiàn)在FPGA 已經(jīng)成為多種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應用的強有力的解決方案。由于可編程方案的靈活性，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計可以適應日益變化的標準協(xié)議和性能需求，F(xiàn)PGA具有集成優(yōu)勢和更低的系統(tǒng)成本。

甚高速集成電路硬件描述語言VHDL 廣泛用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。它的語言形式和描述風格與句法是十分類似于一般的計算機高級語言。

本文利用XILINX 公司Spartan-ⅡE 系列的FPGA器件現(xiàn)場用VHDL編程實現(xiàn)了軟FIFO設計。在Quartus II 4.0 環(huán)境中仿真，得到了很不錯的效果。部分程序和仿真結(jié)果分別如以下程序和圖5所示。

部分VHDL 程序

…

FIFO1TO2:FIFO32TO32 PORT MAP

（ wrclk=》FIFO1TO2WE，

rdreq=》FIFO1TO2RREQ，

rdclk=》FIFO1TO2RE，

wrreq=》FIFO1TO2WREQ，

data=》FIFO1TO2DATAIN，

rdempty=》FIFO1TO2EMPTY，

wrfull=》FIFO1TO2FULL，

q=》FIFO1TO2DATAOUT）；

…

------------------------------PROCESS_FIFO_DSP1_TO_DSP2FIFO1TO2WRITE:PROCESS（FIFO1TO2WE）

BEGIN

IF （FIFO1TO2WREQ=‘1’ AND FIFO1TO3FULL=‘0’）

THEN

FIFO1TO2DATAIN《=DSP1DATA;

END IF;

END PROCESS FIFO1TO2WRITE;

FIFO1TO2READ:PROCESS（FIFO1TO2RE）

BEGIN

IF （FIFO1TO2RREQ=‘1’ AND FIFO1TO2EMPTY=‘0’）

THEN

DSP2DATA《=FIFO1TO2DATAOUT;

ELSE

DSP2DATA《=“ZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZZ”;

END IF;

END PROCESS FIFO1TO2READ;

4 結(jié)論

文中針對異步FIFO設計中的難點和要點，提出了具體的解決方案，并用VHDL語言給出了電路的設計，利用XILINX的Spartan-ⅡE 系列FPGA實現(xiàn)，并被應用于多種電路中，在實際應用中取得了較好的效果。