基于寄存器的同步FIFO

FIFO 是FPGA设计中最有用的模块之一。FIFO 在模块之间提供简单的握手和同步机制，是设计人员将数据从一个模块传输到另一个模块的常用选择。

在这篇文章中，展示了一个简单的 RTL 同步 FIFO，可以直接在自己的设计中配置和使用它，该设计是完全可综合的。

为什么要自己设计FIFO

那么，为什么呢？网上有很多关于 FIFO 的 Verilog/VHDL 代码的资源，过去，我自己也使用过其中的一些。但令人沮丧的是，它们中的大多数都存在问题，尤其是在上溢出和下溢出条件下。所以想一劳永逸地解决这些问题。

FIFO 规格性能

同步，单时钟。

基于寄存器的 FIFO，适用于中小型 FIFO。

Full、Empty、Almost-full、Almost-empty 标志。

完全可配置的数据宽度、深度和标志。

完全可综合的系统 Verilog 代码。

/*===============================================================================================================================
Design:Single-clockSynchronousFIFO

Description:Fullysynthesisable,configurableSingle-clockSynchronousFIFObasedonregisters.
-ConfigurableDatawidth.
-ConfigurableDepth.
-ConfigurableAlmost-fullandAlmost-emptysignals.
===============================================================================================================================*/

modulemy_fifo#(
parameterDATA_W=4,//Datawidth
parameterDEPTH=8,//DepthofFIFO
parameterUPP_TH=4,//UpperthresholdtogenerateAlmost-full
parameterLOW_TH=2//LowerthresholdtogenerateAlmost-empty
)

(
inputclk,//Clock
inputrstn,//Active-lowSynchronousReset

inputi_wren,//WriteEnable
input[DATA_W-1:0]i_wrdata,//Write-data
outputo_alm_full,//Almost-fullsignal
outputo_full,//Fullsignal

inputi_rden,//ReadEnable
output[DATA_W-1:0]o_rddata,//Read-data
outputo_alm_empty,//Almost-emptysignal
outputo_empty//Emptysignal
);


/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
InternalRegisters/Signals
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

logic[DATA_W-1:0]data_rg[DEPTH];//Dataarray
logic[$clog2(DEPTH)-1:0]wrptr_rg;//Writepointer
logic[$clog2(DEPTH)-1:0]rdptr_rg;//Readpointer
logic[$clog2(DEPTH):0]dcount_rg;//Datacounter

logicwren_s;//WriteEnablesignalgeneratediffFIFOisnotfull
logicrden_s;//ReadEnablesignalgeneratediffFIFOisnotempty
logicfull_s;//Fullsignal
logicempty_s;//Emptysignal


/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
SynchronouslogictowritetoandreadfromFIFO
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
always@(posedgeclk)begin

if(!rstn)begin

data_rg<= '{default: '0} ;
      wrptr_rg  <= 0              ;
      rdptr_rg  <= 0              ;      
      dcount_rg <= 0              ;

   end

   else begin

      ready_rg <= 1'b1 ;
      
      /* FIFO write logic */            
      if (wren_s) begin                          
         
         data_rg [wrptr_rg] <= i_wrdata ;        // Data written to FIFO

         if (wrptr_rg == DEPTH - 1) begin
            wrptr_rg <= 0               ;        // Reset write pointer  
         end

         else begin
            wrptr_rg <= wrptr_rg + 1    ;        // Increment write pointer            
         end

      end

      /* FIFO read logic */
      if (rden_s) begin         

         if (rdptr_rg == DEPTH - 1) begin
            rdptr_rg <= 0               ;        // Reset read pointer
         end

         else begin
            rdptr_rg <= rdptr_rg + 1    ;        // Increment read pointer            
         end

      end

      /* FIFO data counter update logic */
      if (wren_s && !rden_s) begin               // Write operation
         dcount_rg <= dcount_rg + 1 ;
      end                    
      else if (!wren_s && rden_s) begin          // Read operation
         dcount_rg <= dcount_rg - 1 ;         
      end

   end

end


/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
   Continuous Assignments
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/

// Full and Empty internal
assign full_s      = (dcount_rg == DEPTH) ? 1'b1 : 0 ;
assign empty_s     = (dcount_rg == 0    ) ? 1'b1 : 0 ;

// Write and Read Enables internal
assign wren_s      = i_wren & !full_s                ;  
assign rden_s      = i_rden & !empty_s               ;

// Full and Empty to output
assign o_full      = full_s                          ;
assign o_empty     = empty_s                         ;

// Almost-full and Almost Empty to output
assign o_alm_full  = (dcount_rg >UPP_TH)?1'b1:0;
assigno_alm_empty=(dcount_rg< LOW_TH) ? 1'b1 : 0 ;

// Read-data to output
assign o_rddata    = data_rg [rdptr_rg]              ;   


endmodule

/*=============================================================================================================================*/

基于 RAM 的 FIFO

在上面的步骤中，我们看到了一个基于寄存器的同步FIFO。接下来，我们来看看基于 RAM 的 FIFO。该 FIFO 在 RAM 而不是寄存器上实现其数据阵列。这适用于在硬件上实现大型 FIFO ；特别是在 FPGA 上，FPGA 里有大量的Block RAM 可用。这将降低资源利用率，也可以获得更好的时序性能。

详细代码：

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https://github.com/iammituraj/FIFOs
责任编辑：彭菁