数字IC前端学习笔记：FIFO的Verilog实现（一）

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1.引言

FIFO表示先入先出（First in First out），它是一种存储器结构，被广泛用于芯片设计中。FIFO由存储器单元队列或阵列组成，如名所示，先被写入队列的数据也是先被读出。在芯片设计中，FIFO可以满足下列需求：

（1）当输入数据速率和输出速率不匹配时，作为临时存储单元。例如，CPU可以先将数据写入FIFO，然后继续做其他工作，设备可以很方便地从FIFO中读取数据。再如因特网控制器，它将从网络接收来的数据存入FIFO，后端的DMA（Direct Memory Access，直接存储器访问）控制器（位于PCIe或PCI接口电路中）从FIFO中读取数据，然后写入系统存储器。

（2）用于不同时钟域之间的同步。实际应用中，数据有时会从一个时钟域进入另一个时钟域，此时FIFO不仅做临时数据存储单元，也起到数据同步的作用。

（3）输入数据和输出数据的数据宽度不匹配时，可以用数据宽度调整电路。

我们在后面再详细介绍这些应用，现在先给出FIFO的结构和输入输出端口，如下图所示，宽度为6、深度为8的FIFO。这意味着此FIFO中有8个存储位置，每个位置可以存储6位数据。注意，实际上读写指针对于外部是不可见的，图中画出只是为了后面说明方便。

2.FIFO操作

电路复位后，FIFO为空，写指针和读指针都指向同一个位置，该位置通常是0。数据由write_data端口输入，由控制信号write_en控制，由read_data端口输出，由控制信号read_en控制。write_pointer指针指向下一个可能的空位置（队列尾元素的后一个位置），而read_pointer指向下一个被读取的位置（队列首元素）。我们一般采取循环队列的方式构建FIFO，即如果我们持续写入，当write_pointer指向最大值时（例如111），如果再次写入元素，write_pointer将回到0。读指针也拥有这种循环的性质，换句话说，写指针和读指针以环形的方式移动，写指针在前，读指针在后追随。写操作和读操作也被称为push/pop、put/get或fill/drain操作。

我们也可以同时进行读操作和写操作，因为两种操作使用不同的指针、控制信号和数据总线。FIFO的这种操作就像一个水箱，它有一个进水口让水进入水箱，还有一个出口让水流出水箱。在任何时候，可以一边进水一边放水，我们需要关注的是，除了FIFO空或满，读指针和写指针不能相同。我们要确保两种情况不会发生，一是给满的FIFO写入数据（所有位置都有数据，没有多余位置）；二是从空的FIFO中读取数据（FIFO中没有有效数据）。它们分别被称为上溢（overrun）和下溢（underrun）。FIFO会产生fifo_full和fifo_empty信号，用于表示FIFO是否已满或已空。当FIFO为满时，禁止写入数据；当FIFO为空时，禁止继续读取数据。

在详细叙述前，先通过时序图来进一步增强我们的理解，如下图所示。

3.同步FIFO原理

在同步FIFO中，单一时钟用于写入和读取操作。数据流和相关的控制逻辑在一个时钟域内工作。同步FIFO用于临时存储数据，此时写入和读取操作即可以同时发生，也可以发生在不同时刻。由于同步FIFO只使用了一个时钟，其控制逻辑相对于异步FIFO来说简单得多前面讨论过一些输入和输出端口，现在需要增加一些有用的输出，如fifo_full、fifo_empty、room_available、data_available。从名称中可以看出，fifo_full信号表示FIFO为满，fifo_empty表示FIFO为空。这两个信号作为边界条件，提醒外部电路不要写满的FIFO和读空的FIFO。

FIFO还可能提供其他信号，如almost_full和almost_empty，用于提前提供FIFO的满和空的信息。例如，当做设计的FIFO还剩余2到3个空余位置时，almost_full信号有效，此时负责外围写入的电路就要考虑停止写入了，因为从决定停止到write_en信号被置为无效可能还需要多个时钟周期。如果写入逻辑等待fifo_full标识有效后才将write_en信号置为无效，就可能太迟了，可能会有信号被错误写入或遗漏（取决于是否有保险措施）。almost_empty也采用类似的工作方式用于防止数据下溢。相较于almost_full和almost_empty信号，我们有时更愿意使用room_available和data_available来提供准确的剩余空间和数据深度信息（本文下面的FIFO就是使用了这两个信号）。写逻辑使用room_available，因为它关注还有多少空间，读逻辑使用data_available，因为它关注还有多少数据可读。

4.同步FIFO的Verilog实现

module synch_fifo  #(parameter FIFO_PTR = 4,
                               FIFO_WIDTH = 32,
                               FIFO_DEPTH = 16)
                   (fifo_clk,rstb,
                    fifo_wren,
                    fifo_wrdata,
                    fifo_rden,
                    fifo_rddata,
                    fifo_full,
                    fifo_empty,
                    fifo_room_avail,
                    fifo_data_avail);
//端口声明
//*******************************************************
input                          fifo_clk;
input                          rstb;
input                          fifo_wren;
input   [FIFO_WIDTH - 1 : 0]   fifo_wrdata;
input                          fifo_rden;
input   [FIFO_WIDTH - 1 : 0]   fifo_rddata;
output  reg                    fifo_full;
output  reg                    fifo_empty;
output  reg [FIFO_PTR : 0]     fifo_room_avail;
output  [FIFO_PTR : 0]         fifo_data_avail; 

//变量定义
//*******************************************************
reg [FIFO_PTR-1 : 0]           wr_ptr,wr_ptr_nxt;
reg [FIFO_PTR-1 : 0]           rd_ptr,rd_ptr_nxt;
reg [FIFO_PTR : 0]             num_entries,num_entries_nxt;
reg [FIFO_PTR : 0]             fifo_room_avail;
reg                            fifo_full,fifo_empty;
wire [FIFO_PTR : 0]            fifo_room_avail_nxt;
wire [FIFO_PTR : 0]            fifo_data_avail_nxt;
wire                           fifo_full_nxt,fifo_empty_nxt;

//写指针控制逻辑
//*******************************************************
always@(*) begin
    wr_ptr_nxt = wr_ptr;
    if(fifo_wren) begin
        if(wr_ptr == FIFO_DEPTH - 1)
            wr_ptr_nxt = 0;
        else
            wr_ptr_nxt = wr_ptr + 1;
    end
end

//读指针控制逻辑
//*******************************************************
always@(*) begin
    rd_ptr_nxt = rd_ptr;
    if(fifo_rden) begin
        if(rd_ptr == FIFO_DEPTH - 1)
            rd_ptr_nxt = 0;
        else
            rd_ptr_nxt = rd_ptr + 1;
    end
end

//计算FIFO内的数据量
//*******************************************************
always@(*) begin
    num_entries_nxt = num_entries;
    if(fifo_wren && fifo_rden)
        num_entries_nxt = num_entries;
    else if(fifo_wren)
        num_entries_nxt = num_entries + 1;
    else if(fifo_rden)
        num_entries_nxt = num_entries - 1;
end

//产生提示信号
//*******************************************************
assign fifo_full_nxt = (num_entries_nxt == FIFO_DEPTH);
assign fifo_empty_nxt = (num_entries_nxt == 0);
assign fifo_data_avail = num_entries;
assign fifo_room_avail_nxt = (FIFO_DEPTH - num_entries_nxt);

//寄存器操作
//*******************************************************
always@(posedge fifo_clk or negedge rstb) begin
    if(!rstb) begin
        wr_ptr       <=  0;
        rd_ptr       <=  0;
        num_entries  <=  0;
        fifo_full    <=  0;
        fifo_empty   <=  0;
        fifo_room_avail <=0;
    end
    else begin
        wr_ptr       <=    wr_ptr_nxt;
        rd_ptr       <=    rd_ptr_nxt;
        num_entries  <=    num_entries_nxt;
        fifo_full    <=    fifo_full_nxt;
        fifo_empty   <=    fifo_empty_nxt;
        fifo_room_avail <= fifo_room_avail_nxt;
    end
    
end

//可以自己写一个存储器，也可以直接例化存储器ip（这里选择后者）
//*******************************************************
sram        #(.FIFO_PTR (FIFO_PTR),
              .FIFO_WIDTH (FIFO_WIDTH)) sram_0
            
            (.wrclk(fifo_clk),
             .wren(fifo_wren),
             .wrptr(wr_ptr),
             .wrdata(fifo_wrdata),
             .rdclk(fifo_clk),
             .rden(fifo_rden),
             .rdptr(rd_ptr),
             .rddata(fifo_rddata));

endmodule

以上内容来源于《Verilog高级数字系统设计技术和实例分析》