【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第八章FPGA片內(nèi)FIFO讀寫測(cè)試實(shí)驗(yàn)

作者： ALINX
* 本原創(chuàng)教程由芯驛電子科技（上海）有限公司（ALINX）創(chuàng)作，版權(quán)歸本公司所有，如需轉(zhuǎn)載，需授權(quán)并注明出處。

適用于板卡型號(hào)：
AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實(shí)驗(yàn)Vivado工程為“fifo_test”。

FIFO是FPGA應(yīng)用當(dāng)中非常重要的模塊，廣泛用于數(shù)據(jù)的緩存，跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)處理等。學(xué)好FIFO是FPGA的關(guān)鍵，靈活運(yùn)用好FIFO是一個(gè)FPGA工程師必備的技能。本章主要介紹利用XILINX提供的FIFO IP進(jìn)行讀寫測(cè)試。

1.實(shí)驗(yàn)原理

FIFO: First in, First out代表先進(jìn)的數(shù)據(jù)先出，后進(jìn)的數(shù)據(jù)后出。Xilinx在VIVADO里為我們已經(jīng)提供了FIFO的IP核, 我們只需通過(guò)IP核例化一個(gè)FIFO，根據(jù)FIFO的讀寫時(shí)序來(lái)寫入和讀取FIFO中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。

其實(shí)FIFO是也是在RAM的基礎(chǔ)上增加了許多功能，F(xiàn)IFO的典型結(jié)構(gòu)如下，主要分為讀和寫兩部分，另外就是狀態(tài)信號(hào)，空和滿信號(hào)，同時(shí)還有數(shù)據(jù)的數(shù)量狀態(tài)信號(hào)，與RAM最大的不同是FIFO沒(méi)有地址線，不能進(jìn)行隨機(jī)地址讀取數(shù)據(jù)，什么是隨機(jī)讀取數(shù)據(jù)呢，也就是可以任意讀取某個(gè)地址的數(shù)據(jù)。而FIFO則不同，不能進(jìn)行隨機(jī)讀取，這樣的好處是不用頻繁地控制地址線。

雖然用戶看不到地址線，但是在FIFO內(nèi)部還是有地址的操作的，用來(lái)控制RAM的讀寫接口。其地址在讀寫操作時(shí)如下圖所示，其中深度值也就是一個(gè)FIFO里最大可以存放多少個(gè)數(shù)據(jù)。初始狀態(tài)下，讀寫地址都為0，在向FIFO中寫入一個(gè)數(shù)據(jù)后，寫地址加1，從FIFO中讀出一個(gè)數(shù)據(jù)后，讀地址加1。此時(shí)FIFO的狀態(tài)即為空，因?yàn)閷懥艘粋€(gè)數(shù)據(jù)，又讀出了一個(gè)數(shù)據(jù)。

可以把FIFO想象成一個(gè)水池，寫通道即為加水，讀通道即為放水，假如不間斷的加水和放水，如果加水速度比放水速度快，那么FIFO就會(huì)有滿的時(shí)候，如果滿了還繼續(xù)加水就會(huì)溢出overflow，如果放水速度比加水速度快，那么FIFO就會(huì)有空的時(shí)候，所以把握好加水與放水的時(shí)機(jī)和速度，保證水池一直有水是一項(xiàng)很艱巨的任務(wù)。也就是判斷空與滿的狀態(tài)，擇機(jī)寫數(shù)據(jù)或讀數(shù)據(jù)。

根據(jù)讀寫時(shí)鐘，可以分為同步FIFO（讀寫時(shí)鐘相同）和異步FIFO（讀寫時(shí)鐘不同）。同步FIFO控制比較簡(jiǎn)單，不再介紹，本節(jié)實(shí)驗(yàn)主要介紹異步FIFO的控制，其中讀時(shí)鐘為75MHz，寫時(shí)鐘為100MHz。實(shí)驗(yàn)中會(huì)通過(guò)VIVADO集成的在想邏輯分析儀ila，我們可以觀察FIFO的讀寫時(shí)序和從FIFO中讀取的數(shù)據(jù)。

2. 創(chuàng)建Vivado工程
2.1 添加FIFO IP核

在添加FIFO IP之前先新建一個(gè)fifo_test的工程, 然后在工程中添加FIFO IP，方法如下：

2.1.1點(diǎn)擊下圖中IP Catalog，在右側(cè)彈出的界面中搜索fifo，找到FIFO Generator,雙擊打開(kāi)。

2.1.2 彈出的配置頁(yè)面中，這里可以選擇讀寫時(shí)鐘分開(kāi)還是用同一個(gè)，一般來(lái)講我們使用FIFO為了緩存數(shù)據(jù)，通常兩邊的時(shí)鐘速度是不一樣的。所以獨(dú)立時(shí)鐘是最常用的，我們這里選擇“Independent Clocks Block RAM”，然后點(diǎn)擊“Next”到下一個(gè)配置頁(yè)面。

2.1.3 切換到Native Ports欄目下，選擇數(shù)據(jù)位寬16；FIFO深選擇512，實(shí)際使用大家根據(jù)需要自行設(shè)置就可以。Read Mode有兩種方式，一個(gè)Standard FIFO，也就是平時(shí)常見(jiàn)的FIFO，數(shù)據(jù)滯后于讀信號(hào)一個(gè)周期，還有一種方式為First Word Fall Through，數(shù)據(jù)預(yù)取模式，簡(jiǎn)稱FWFT模式。也就是FIFO會(huì)預(yù)先取出一個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)讀信號(hào)有效時(shí)，相應(yīng)的數(shù)據(jù)也有效。我們首先做標(biāo)準(zhǔn)FIFO的實(shí)驗(yàn)。

2.1.4 切換到Data Counts欄目下，使能Write Data Count（已經(jīng)FIFO寫入多少數(shù)據(jù)）和Read Data Count（FIFO中有多少數(shù)據(jù)可以讀），這樣我們可以通過(guò)這兩個(gè)值來(lái)看FIFO內(nèi)部的數(shù)據(jù)多少。點(diǎn)擊OK,Generate生成FIFO IP。

2.2 FIFO的端口定義與時(shí)序

FIFO的數(shù)據(jù)寫入和讀出都是按時(shí)鐘的上升沿操作的，當(dāng)wr_en信號(hào)為高時(shí)寫入FIFO數(shù)據(jù)，當(dāng)almost_full信號(hào)有效時(shí)，表示FIFO只能再寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，一旦寫入一個(gè)數(shù)據(jù)了，full信號(hào)就會(huì)拉高，如果在full的情況下wr_en仍然有效，也就是繼續(xù)向FIFO寫數(shù)據(jù)，則FIFO的overflow就會(huì)有效，表示溢出。

標(biāo)準(zhǔn)FIFO寫時(shí)序

當(dāng)rd_en信號(hào)為高時(shí)讀FIFO數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)在下個(gè)周期有效。valid為數(shù)據(jù)有效信號(hào)，almost_empty表示還有一個(gè)數(shù)據(jù)讀，當(dāng)再讀一個(gè)數(shù)據(jù)，empty信號(hào)有效，如果繼續(xù)讀，則underflow有效，表示下溢，此時(shí)讀出的數(shù)據(jù)無(wú)效。

標(biāo)準(zhǔn)FIFO讀時(shí)序

而從FWFT模式讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖可以看出，rd_en信號(hào)有效時(shí)，有效數(shù)據(jù)D0已經(jīng)在數(shù)據(jù)線上準(zhǔn)備好有效了，不會(huì)再延后一個(gè)周期。這就是與標(biāo)準(zhǔn)FIFO的不同之處。

FWFT FIFO讀時(shí)序

關(guān)于FIFO的詳細(xì)內(nèi)容可參考pg057文檔，可在xilinx官網(wǎng)下載。

3. FIFO測(cè)試程序編寫

我們按照異步FIFO進(jìn)行設(shè)計(jì)，用PLL產(chǎn)生出兩路時(shí)鐘，分別是100MHz和75MHz，用于寫時(shí)鐘和讀時(shí)鐘，也就是寫時(shí)鐘頻率高于讀時(shí)鐘頻率。

`timescale1ns/1ps
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
module fifo_test
	(
		input		clk,		//25MHz時(shí)鐘
		input		rst_n	//復(fù)位信號(hào)，低電平有效	
	);


reg	[15:0]		w_data			;			//FIFO寫數(shù)據(jù)
wire			wr_en			;			//FIFO寫使能
wire			rd_en			;			//FIFO讀使能
wire[15:0]		r_data			;			//FIFO讀數(shù)據(jù)
wire			full			;			//FIFO滿信號(hào)
wire			empty			;			//FIFO空信號(hào)
wire[8:0]		rd_data_count	;			//可讀數(shù)據(jù)數(shù)量	
wire[8:0]		wr_data_count	;			//已寫入數(shù)據(jù)數(shù)量
	
wire				clk_100M 		;			//PLL產(chǎn)生100MHz時(shí)鐘
wire				clk_75M 		;			//PLL產(chǎn)生100MHz時(shí)鐘
wire				locked 			;			//PLL lock信號(hào)，可作為系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，高電平表示lock住
wire				fifo_rst_n 		;			//fifo復(fù)位信號(hào), 低電平有效

wire				wr_clk 			;			//寫FIFO時(shí)鐘
wire				rd_clk 			;			//讀FIFO時(shí)鐘
reg	[7:0]			wcnt 			;			//寫FIFO復(fù)位后等待計(jì)數(shù)器
reg	[7:0]			rcnt 			;			//讀FIFO復(fù)位后等待計(jì)數(shù)器

wire               clkbuf          ;

   BUFG BUFG_inst (
.O(clkbuf),// 1-bit output: Clock output.
.I(clk)// 1-bit input: Clock input.
);


//例化PLL，產(chǎn)生100MHz和75MHz時(shí)鐘
clk_wiz_0 fifo_pll
(
// Clock out ports
.clk_out1(clk_100M),		// output clk_out1
.clk_out2(clk_75M),		// output clk_out2
// Status and control signals
.reset(~rst_n),				// input reset
.locked(locked),		// output locked
// Clock in ports
.clk_in1(clkbuf)					// input clk_in1
);			

assign fifo_rst_n 	= locked	;	//將PLL的LOCK信號(hào)賦值給fifo的復(fù)位信號(hào)
assign wr_clk 		= clk_100M 	;	//將100MHz時(shí)鐘賦值給寫時(shí)鐘
assign rd_clk 		= clk_75M 	;	//將75MHz時(shí)鐘賦值給讀時(shí)鐘


/* 寫FIFO狀態(tài)機(jī) */
localparam      W_IDLE      =1	;
localparam      W_FIFO     	=2	;

reg[2:0]  write_state;
reg[2:0]  next_write_state;

always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)
begin
	if(!fifo_rst_n)
		write_state <= W_IDLE;
	else
		write_state <= next_write_state;
end

always@(*)
begin
	case(write_state)
		W_IDLE:
			begin
				if(wcnt ==8'd79)//復(fù)位后等待一定時(shí)間，safety circuit模式下的最慢時(shí)鐘60個(gè)周期
					next_write_state <= W_FIFO;
				else
					next_write_state <= W_IDLE;
			end
		W_FIFO:
			next_write_state <= W_FIFO;			//一直在寫FIFO狀態(tài)
		default:
			next_write_state <= W_IDLE;
	endcase
end
//在IDLE狀態(tài)下，也就是復(fù)位之后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)
always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)
begin
	if(!fifo_rst_n)
		wcnt <=8'd0;
	elseif(write_state == W_IDLE)
		wcnt <= wcnt +1'b1;
	else
		wcnt <=8'd0;
end
//在寫FIFO狀態(tài)下，如果不滿就向FIFO中寫數(shù)據(jù)
assign wr_en =(write_state == W_FIFO)?~full :1'b0;
//在寫使能有效情況下，寫數(shù)據(jù)值加1
always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)
begin
	if(!fifo_rst_n)
		w_data <=16'd1;
	elseif(wr_en)
		w_data <= w_data +1'b1;
end

/* 讀FIFO狀態(tài)機(jī) */

localparam      R_IDLE      =1	;
localparam      R_FIFO     	=2	;
reg[2:0]  read_state;
reg[2:0]  next_read_state;

///產(chǎn)生FIFO讀的數(shù)據(jù)
always@(posedge rd_clk ornegedge fifo_rst_n)
begin
	if(!fifo_rst_n)
		read_state <= R_IDLE;
	else
		read_state <= next_read_state;
end

always@(*)
begin
	case(read_state)
		R_IDLE:
			begin
				if(rcnt ==8'd59)	//復(fù)位后等待一定時(shí)間，safety circuit模式下的最慢時(shí)鐘60個(gè)周期
					next_read_state <= R_FIFO;
				else
					next_read_state <= R_IDLE;
			end
		R_FIFO:	
			next_read_state <= R_FIFO ;			//一直在讀FIFO狀態(tài)
		default:
			next_read_state <= R_IDLE;
	endcase
end

//在IDLE狀態(tài)下，也就是復(fù)位之后，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)
always@(posedge rd_clk ornegedge fifo_rst_n)
begin
	if(!fifo_rst_n)
		rcnt <=8'd0;
	elseif(write_state == W_IDLE)
		rcnt <= rcnt +1'b1;
	else
		rcnt <=8'd0;
end
//在讀FIFO狀態(tài)下，如果不空就從FIFO中讀數(shù)據(jù)
assign rd_en =(read_state == R_FIFO)?~empty :1'b0;

//-----------------------------------------------------------
//實(shí)例化FIFO
fifo_ip fifo_ip_inst 
(
.rst            (~fifo_rst_n    	),// input rst
.wr_clk         (wr_clk          	),// input wr_clk
.rd_clk         (rd_clk          	),// input rd_clk
.din            (w_data       	),// input [15 : 0] din
.wr_en          (wr_en        	),// input wr_en
.rd_en          (rd_en        	),// input rd_en
.dout           (r_data       	),// output [15 : 0] dout
.full           (full         	),// output full
.empty          (empty        	),// output empty
.rd_data_count  (rd_data_count	),// output [8 : 0] rd_data_count
.wr_data_count  (wr_data_count	)// output [8 : 0] wr_data_count
);

//寫通道邏輯分析儀
ila_m0 ila_wfifo (
	.clk		(wr_clk			),
	.probe0		(w_data			),	
	.probe1		(wr_en			),	
	.probe2		(full			),		
	.probe3		(wr_data_count	)
);
//讀通道邏輯分析儀
ila_m0 ila_rfifo (
	.clk		(rd_clk			),
	.probe0		(r_data			),	
	.probe1		(rd_en			),	
	.probe2		(empty			),		
	.probe3		(rd_data_count	)
);
	
endmodule

在程序中采用PLL的lock信號(hào)作為fifo的復(fù)位，同時(shí)將100MHz時(shí)鐘賦值給寫時(shí)鐘，75MHz時(shí)鐘賦值給讀時(shí)鐘。

有一點(diǎn)需要注意的是，F(xiàn)IFO設(shè)置默認(rèn)為采用safety circuit，此功能是保證到達(dá)內(nèi)部RAM的輸入信號(hào)是同步的，在這種情況下，如果異步復(fù)位后，則需要等待60個(gè)最慢時(shí)鐘周期，在本實(shí)驗(yàn)中也就是75MHz的60個(gè)周期，那么100MHz時(shí)鐘大概需要(100/75)x60=80個(gè)周期。

因此在寫狀態(tài)機(jī)中，等待80個(gè)周期進(jìn)入寫FIFO狀態(tài)

在讀狀態(tài)機(jī)中，等待60個(gè)周期進(jìn)入讀狀態(tài)

如果FIFO不滿，就一直向FIFO寫數(shù)據(jù)

如果FIFO不空，就一直從FIFO讀數(shù)據(jù)

例化兩個(gè)邏輯分析儀，分別連接寫通道和讀通道的信號(hào)

4. 仿真

以下為仿真結(jié)果，可以看到寫使能wr_en有效后開(kāi)始寫數(shù)據(jù)，初始值為0001，從開(kāi)始寫到empty不空，是需要一定周期的，因?yàn)閮?nèi)部還要做同步處理。在不空后，開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，讀出的數(shù)據(jù)相對(duì)于rd_en滯后一個(gè)周期。

在后面可以看到如果FIFO滿了，根據(jù)程序的設(shè)計(jì)，滿了就不向FIFO寫數(shù)據(jù)了，wr_en也就拉低了。為什么會(huì)滿呢，就是因?yàn)閷憰r(shí)鐘比讀時(shí)鐘快。如果將寫時(shí)鐘與讀時(shí)鐘調(diào)換，也就是讀時(shí)鐘快，就會(huì)出現(xiàn)讀空的情況，大家可以試一下。

如果將FIFO的Read Mode改成First Word Fall Through

仿真結(jié)果如下，可以看到rd_en有效的時(shí)候數(shù)據(jù)也有效，沒(méi)有相差一個(gè)周期

5. 板上驗(yàn)證

生成好bit文件，下載bit文件，會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)ila，先來(lái)看寫通道的，可以看到full信號(hào)為高電平時(shí)，wr_en為低電平，不再向里面寫數(shù)據(jù)。

而讀通道也與仿真一致

如果以rd_en上升沿作為觸發(fā)條件，點(diǎn)擊運(yùn)行，然后按下復(fù)位，也就是我們綁定的PL KEY1，會(huì)出現(xiàn)下面的結(jié)果，與仿真一致，標(biāo)準(zhǔn)FIFO模式下，數(shù)據(jù)滯后rd_en一個(gè)周期。