FPGA零基础学习之Vivado-FIFO使用教程

FIFO使用教程

作者：李西锐校对：陆辉

FIFO的英文全称叫做First in First out，即先进先出。这也就决定了这个IP核的特殊性，先写进去的数据优先被读出，所以，FIFO是不需要地址信号线的，这也是它的一大特点，通常用来做数据的缓存，或者用来解决高速异步数据的交互，即解决了跨时钟域的问题。此外，FIFO还有一个特点，就是数据被读出之后就不存在了，不像RAM和ROM一样，数据被读出后还存在。所以我们如果想进行多次的读，那么就需要进行同样次数的写。

FIFO分为同步时钟和异步时钟，同步FIFO指的是读写使用同一个时钟，在时钟沿信号来的时候进行读写。异步FIFO是指读写在不同时钟下进行，这样我们可以实现读写不同速度。

那么接下来，我们就来实现一下异步FIFO的读写过程。

上图为选择异步FIFO之后的图示，在这个图示中，我们给大家解释一下每个信号的含义。

FIFO_WRITE：

full：FIFO的满信号，当FIFO的存储空间写满了之后，此信号拉高，否则为低。此信号为FIFO的输出信号。

din[17:0]:FIFO的数据输入，写进FIFO的数据通过此信号线进入FIFO。

wr_en：FIFO的写使能，当我们要往FIFO里面写入数据时，拉高此信号。此信号为FIFO的输入。

FIFO_READ：

empty：FIFO的空信号，当FIFO的存储空间空了之后，此信号拉高，否则为低。此信号为FIFO的输出信号。

dout：FIFO的数据输出，读出FIFO的数据通过此信号线输出。

rd_en：FIFO的读使能，当我们要从FIFO里面读出数据时，拉高此信号。此信号为FIFO的输入。

rst:FIFO复位，默认高电平有效。

wr_clk：写时钟

rd_clk: 读时钟

wr_rst_busy:写复位忙信号

rd_rst_busy:读复位忙信号

在了解了FIFO的端口之后，我们来实现一个应用实例。比如，我们以10MHz的速度往FIFO里面写数据，写满之后，在20MHz的时钟下将数据读出，一直读空。当然，在显示应用中，FIFO的读写是可以同步进行的。

首先，我们先来新建工程。

新建好之后，我们先调用一下IP核：

在IP核管理器界面，搜索FIFO，然后选中图示所选项双击打开。

在FIFO类型选项，我们选择异步FIFO。刚打开默认的选项为同步FIFO。

在数据端口配置界面，我们将数据位宽改为8bit，深度使用1024。

复位端口在这就不再使用了，所以勾选位置取消掉。

在此界面出现了almost full flag和almost empty flag。这两个信号是几乎满或空的标志信号，在此实验中，我们不使用。

Datacount是FIFO数据用量计数器，代表了此时FIFO的内部存储被使用的情况。假设我们写进去了10个数，那么两个计数器都为10。

此界面为IP核的信息，在此界面可以看出，我们的读写深度发生了变化，我们在前面设置的深度为1024，但是在此处显示的却是1023。原因是因为FIFO结构的特殊性，并不是我们设置的有问题。所以，在我们这个异步FIFO中，深度为1023。

点击OK直接生成。在点击Generate。

此外，我们还需要两个不同时钟，在这里我们使用锁相环生成。

在管理界面搜索clock。配置过程我们在此前已经讲过，就不在过多叙述。

接下来我们写一下fifo的写控制器，代码如下:

1   module fifo_wr(
2     
3     input   wire             clk,
4     input   wire             rst_n,
5     input   wire             empty,
6     input   wire             full,
7     output   reg             fifo_wr_en,
8     output   reg     [7:0]      fifo_data_in
9   );
10
11    reg         state;
12    
13    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
14    begin
15      if(rst_n == 1'b0)
16        begin
17          fifo_wr_en <= 1'b0;
18          fifo_data_in <= 8'd0;
19          state <= 1'b0;
20        end
21      else
22        case(state)
23          1'b0  :  begin
24                  if(empty)
25                    state <= 1'b1;
26                  else
27                    state <= 1'b0;
28                end
29          1'b1  :  begin
30                  if(full)
31                    begin
32                      fifo_wr_en <= 1'b0;
33                      fifo_data_in <= 8'd0;
34                      state <= 1'b0;
35                    end
36                  else
37                    begin
38                      fifo_wr_en <= 1'b1;
39                      fifo_data_in <= fifo_data_in + 1'b1;
40                      state <= 1'b1;
41                    end
42                end
43        endcase
44    end
45
46  endmodule

因为我们的实验是读空了才写，所以我们用状态机来做，先判断FIFO是否为空。读控制器代码如下：

1   module fifo_rd(
2     
3     input   wire               clk,
4     input   wire               rst_n,
5     input   wire               empty,
6     input   wire               full,
7     output   reg               fifo_rd_en
8   );
9 
10    reg         state;
11    
12    always @ (posedge clk, negedge rst_n)
13    begin
14      if(rst_n == 1'b0)
15        begin
16          fifo_rd_en <= 1'b0;
17          state <= 1'b0;
18        end
19      else
20        case(state)
21          1'b0  :  begin
22                  if(full)
23                    state <= 1'b1;
24                  else
25                    state <= 1'b0;
26                end
27          1'b1  :  begin
28                  if(empty)
29                    begin
30                      fifo_rd_en <= 1'b0;
31                      state <= 1'b0;
32                    end
33                  else
34                    begin
35                      fifo_rd_en <= 1'b1;
36                      state <= 1'b1;
37                    end
38                end
39        endcase
40    end
41
42  endmodule

顶层代码如下：

1   module fifo(
2     
3     input   wire               clk,
4     input   wire               rst_n,
5     output   wire       [7:0]      q
6   );
7     
8     wire           fifo_wr_clk;
9     wire           fifo_rd_clk;
10    wire           locked;
11    wire           empty;
12    wire           full;
13    wire           fifo_wr_en;
14    wire     [7:0]    fifo_data_in;
15    wire           fifo_rd_en;
16    
17    clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst
18     (
19    // Clock out ports
20    .clk_out1(fifo_wr_clk),     // output clk_out1
21    .clk_out2(fifo_rd_clk),     // output clk_out2
22    // Status and control signals
23    .reset(~rst_n), // input reset
24    .locked(locked),       // output locked
25     // Clock in ports
26    .clk_in1(clk));      // input clk_in1
27    
28    fifo_wr fifo_wr_inst(
29    
30    .clk            (fifo_wr_clk),
31    .rst_n            (locked  ),
32    .empty            (empty    ),
33    .full            (full    ),
34    .fifo_wr_en          (fifo_wr_en  ),
35    .fifo_data_in        (fifo_data_in)
36  );
37
38    fifo_generator_0 fifo_generator_0_inst (
39      .wr_clk(fifo_wr_clk),  // input wire wr_clk
40      .rd_clk(fifo_rd_clk),  // input wire rd_clk
41      .din(fifo_data_in),        // input wire [7 : 0] din
42      .wr_en(fifo_wr_en),    // input wire wr_en
43      .rd_en(fifo_rd_en),    // input wire rd_en
44      .dout(q),      // output wire [7 : 0] dout
45      .full(full),      // output wire full
46      .empty(empty)    // output wire empty
47    );
48
49    fifo_rd fifo_rd_inst(
50    
51    .clk        (fifo_rd_clk),
52    .rst_n        (locked    ),
53    .empty        (empty    ),
54    .full        (full    ),
55    .fifo_rd_en      (fifo_rd_en)
56  );
57    
58  endmodule

代码写完之后，我们写个仿真验证一下波形，代码如下：

1   `timescale 1ns / 1ps
2 
3   module fifo_tb;
4 
5     reg                clk;
6     reg                rst_n;
7     wire       [7:0]      q;
8     
9     initial begin
10      clk = 0;
11      rst_n = 0;
12      #105;
13      rst_n = 1;
14      #10000;
15      $stop;
16    end
17    
18    always #10 clk = ~clk;
19    
20    fifo fifo_inst(
21    
22    .clk      (clk),
23    .rst_n      (rst_n),
24    .q        (q)
25  );
26
27  endmodule

打开波形之后，我们将读写控制模块的信号全部添加到波形窗口：

添加好之后，点击restart和run-all

由于波形默认运行10us，我们观察不到全部波形，所以，在此我们继续点击run-all，然后点击break，让仿真停止。

然后，我们观察波形：

在波形里面可以清楚的看到我们的fifo_data_in和q的波形，一长一短。这是因为读的速度快，所以波形维持的时间短。写数据的时间长度是读数据时间长度的两倍。

然后放大波形观察其他信号：

在黄色光标位置，可以看到满信号拉高了，然后写使能就拉低了，状态开始进入到读。在读使能拉高之后，输出q就有了数据，但是我们的empty信号维持了一段时间才拉低，这是因为fifo的特殊结构导致的，在此我们就不再过多讨论。

结论：异步FIFO控制正确，仿真波形输入和输出信号正常。

审核编辑：汤梓红