讲解几点关于FIFO IP核使用时的注意事项

前言

FIFO？还是FIFO IP核？这也需要写总结吗？太容易了吧。如果我是一个正在处于面试找工作中的年轻人，肯定关注的是如何手撕FIFO，这也是当时校招时候干过的事情。但是作为一个FPGA工程师，我们更常使用的是FIFO的IP核，或者必然使用的是FIFO IP核，简单快捷优化。使用FIFO IP核的时候，或者设计电路使用FIFO IP的时候，对于新手或者不是精通的情况下，个人建议一点是对自己定制的FIFO仿真一下（或者严格遵守数据手册），做到时序关系清晰后，再设计电路。注意：不要不屑于此！

下面讲解几点关于FIFO IP核使用时的注意事项，想到哪里到哪里!

位宽转换

分布式ram资源的FIFO不能变换位宽

Block RAM资源可以变化位宽

Builtin FIFO资源不能变化位宽

FIFO 安全电路

FIFO定制页面存在一个Enable Safety Circuit，如下：

选择此选项，存在两个额外输出信号：

如果不选择Enable Safety Circuit，则不存在这两个信号输出：

此选项仅仅针对基于Bram资源的FIFO定制，如果使用分布式RAM资源，则不可选择：

同理Builtin FIFO资源的FIFO也不可选择。

假如使用的是此Block RAM资源的FIFO，选择此信号，有什么作用呢？多出来的两个信号是什么意思？有什么用途？笔者曾在仿真中犯过一个错误，就是在复位后的几个时钟直接给写使能，可是怎么写也写不进去数据，后来发现是wr_rst_busy处于高电平状态，自然是不能写的。所以判断写使能有效，可以将此信号作为判断条件之一，如果该信号为高，则不能写入。

这就引发一个疑问？既然存在这样一个问题，那么多久之后才能对FIFO写入数据呢？那就要看复位无效之后多久这个信号才能被拉低，且仿真看看：

可见，大概20多个时钟周期之后，这个信号就拉低无效了。这样会不会对我们使用FIFO有影响呢？可以想象下20多个时钟才多长时间，周期ns级别，况且写使能可以以此信号作为写使能有效条件，因此可以很容易规避这个问题，这里列出来的原因就是为了仿真时候，如果遇到了写不进去的情况时，考虑下这个问题，以免莫名其妙，百思不得其解。

Xilinx对安全电路的使用还有一条建议，就是选择异步复位时，有可能导致BRAM数据的损坏，此时推荐使用安全电路。

对于异步FIFO而言，好像也只能使用异步复位，这就更有必要性了。

FIFO消耗资源

定制FIFO消耗资源与使用什么资源生成FIFO有关，对于Block RAM资源的FIFO使用的自然是Block RAM资源，7系列的用于生成FIFO的Block RAM资源大小有两种，18Kbit以及36Kbit两种，一般默认bit，可以说是18K以及36K。

FIFO位宽乘深度小于18K，自然是使用了一个18K的Bram，如下：

使用Block RAM资源：

大于18K的自然是一个36KBlock RAM：

使用BRAM资源：

大于36K，情况多变，是18K以及36K的组合：

输出延迟

Read Latency为1的含义

使用分布式RAM资源以及Block RAM资源的FIFO可以选择输出寄存器打拍一次，这样自然Read Latency为2，使用Builtin FIFO资源无法选择输出寄存器打拍。

假如都不寄存器输出，即输出不寄存一拍，那么这里的Read Latency = 1具体是什么含义呢？我想时序图最能说明一切：

实际仿真看一下：FIFO IP生成总结：

因此如果需要使用rd_data数据的话，需要对读使能延迟一拍，判断rd_en_r1有效时使用读数据的实际值：

Read Latency为2的含义

知道了Read Latency为1的含义，为2的情况自然很容易理解，在添加了寄存器输出的时候，就会使得Read Latency为2，如下：

同样仿真实现下：

FIFO 读写计数器的含义

在FIFO定制页面有如下选择：Write Data Count，Read Data Count这两个选择，是什么意思呢？

那我们写进去一个数据，看看两者数据的变化：

写计数器

从写计数有效开始，延迟一个时钟，计数器值更新为1，意思就是写入了一个数据；注意：我们在实际使用FIFO输出参数之前，一定要仿真看下时序关系，以防用错。

我们尝试写入两个数据，来验证下这种关系：

关系一致。

读计数器

读计数器的含义是FIFO内部存放了多少数据？但这个数据的更新需要一定的时间，例如：

数据的更新需要至少4个读时钟周期，因此，这个数据我们不能写入之后立即使用；这个延迟是异步FIFO内部跨时钟域的结果。

注意：使用FIFO IP核内部输出信号的时候，保险起见，需要自己仿真下，认识下时序关系后再设计电路。

例如写入了两个数据，之后又读出了一个，那这个值最终一定是1；

仿真验证了这个结果。

上面说了这些情况，其实都在数据手册中有体现，但是对于一个FIFO，大家都倾向于直接使用，不屑于看数据手册，不得不说，这都是年轻气盛的表现，或者天赋异禀。

因此，对于这种情况，我们有两个选择：一是看数据手册；二是自己仿真自己定制的IP核，看清时序后设计电路。