FPGA的学习:FIFO求和实验

Posted 石小舟

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了FPGA的学习:FIFO求和实验相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

FIFO求和的系统框图如图所示:
在这里插入图片描述
其中蓝色的控制模块的实现如下:
在这里插入图片描述
时序图如下:
在这里插入图片描述
代码实现如下:

`timescale  1ns/1ns
module  uart_rx
#(
    parameter   UART_BPS    =   'd9600,         //串口波特率
    parameter   CLK_FREQ    =   'd50_000_000    //时钟频率
)
(
    input   wire            sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
    input   wire            sys_rst_n   ,   //全局复位
    input   wire            rx          ,   //串口接收数据

    output  reg     [7:0]   po_data     ,   //串转并后的8bit数据
    output  reg             po_flag         //串转并后的数据有效标志信号
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//localparam    define
localparam  BAUD_CNT_MAX    =   CLK_FREQ/UART_BPS   ;

//reg   define
reg         rx_reg1     ;
reg         rx_reg2     ;
reg         rx_reg3     ;
reg         start_nedge ;
reg         work_en     ;
reg [12:0]  baud_cnt    ;
reg         bit_flag    ;
reg [3:0]   bit_cnt     ;
reg [7:0]   rx_data     ;
reg         rx_flag     ;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//插入两级寄存器进行数据同步,用来消除亚稳态
//rx_reg1:第一级寄存器,寄存器空闲状态复位为1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg1 <= 1'b1;
    else
        rx_reg1 <= rx;

//rx_reg2:第二级寄存器,寄存器空闲状态复位为1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg2 <= 1'b1;
    else
        rx_reg2 <= rx_reg1;

//rx_reg3:第三级寄存器和第二级寄存器共同构成下降沿检测
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_reg3 <= 1'b1;
    else
        rx_reg3 <= rx_reg2;

//start_nedge:检测到下降沿时start_nedge产生一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        start_nedge <= 1'b0;
    else    if((~rx_reg2) && (rx_reg3))
        start_nedge <= 1'b1;
    else
        start_nedge <= 1'b0;

//work_en:接收数据工作使能信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        work_en <= 1'b0;
    else    if(start_nedge == 1'b1)
        work_en <= 1'b1;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        work_en <= 1'b0;

//baud_cnt:波特率计数器计数,从0计数到BAUD_CNT_MAX - 1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        baud_cnt <= 13'b0;
    else    if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1) || (work_en == 1'b0))
        baud_cnt <= 13'b0;
    else    if(work_en == 1'b1)
        baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;

//bit_flag:当baud_cnt计数器计数到中间数时采样的数据最稳定,
//此时拉高一个标志信号表示数据可以被取走
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_flag <= 1'b0;
    else    if(baud_cnt == BAUD_CNT_MAX/2 - 1)
        bit_flag <= 1'b1;
    else
        bit_flag <= 1'b0;

//bit_cnt:有效数据个数计数器,当8个有效数据(不含起始位和停止位)
//都接收完成后计数器清零
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        bit_cnt <= 4'b0;
     else    if(bit_flag ==1'b1)
         bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;

//rx_data:输入数据进行移位
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_data <= 8'b0;
    else    if((bit_cnt >= 4'd1)&&(bit_cnt <= 4'd8)&&(bit_flag == 1'b1))
        rx_data <= {rx_reg3, rx_data[7:1]};

//rx_flag:输入数据移位完成时rx_flag拉高一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rx_flag <= 1'b0;
    else    if((bit_cnt == 4'd8) && (bit_flag == 1'b1))
        rx_flag <= 1'b1;
    else
        rx_flag <= 1'b0;

//po_data:输出完整的8位有效数据
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_data <= 8'b0;
    else    if(rx_flag == 1'b1)
        po_data <= rx_data;

//po_flag:输出数据有效标志(比rx_flag延后一个时钟周期,为了和po_data同步)
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_flag <= 1'b0;
    else
        po_flag <= rx_flag;

endmodule
`timescale  1ns/1ns
module  uart_tx
#(
    parameter   UART_BPS    =   'd9600,         //串口波特率
    parameter   CLK_FREQ    =   'd50_000_000    //时钟频率
)
(
     input   wire            sys_clk     ,   //系统时钟50MHz
     input   wire            sys_rst_n   ,   //全局复位
     input   wire    [7:0]   pi_data     ,   //模块输入的8bit数据
     input   wire            pi_flag     ,   //并行数据有效标志信号
 
     output  reg             tx              //串转并后的1bit数据
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//localparam    define
localparam  BAUD_CNT_MAX    =   CLK_FREQ/UART_BPS   ;

//reg   define
reg [12:0]  baud_cnt;
reg         bit_flag;
reg [3:0]   bit_cnt ;
reg         work_en ;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//work_en:接收数据工作使能信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            work_en <= 1'b0;
        else    if(pi_flag == 1'b1)
            work_en <= 1'b1;
        else    if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd9))
            work_en <= 1'b0;

//baud_cnt:波特率计数器计数,从0计数到BAUD_CNT_MAX - 1
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            baud_cnt <= 13'b0;
        else    if((baud_cnt == BAUD_CNT_MAX - 1) || (work_en == 1'b0))
            baud_cnt <= 13'b0;
        else    if(work_en == 1'b1)
            baud_cnt <= baud_cnt + 1'b1;

//bit_flag:当baud_cnt计数器计数到1时让bit_flag拉高一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            bit_flag <= 1'b0;
        else    if(baud_cnt == 13'd1)
            bit_flag <= 1'b1;
        else
            bit_flag <= 1'b0;

//bit_cnt:数据位数个数计数,10个有效数据(含起始位和停止位)到来后计数器清零
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_flag == 1'b1) && (bit_cnt == 4'd9))
        bit_cnt <= 4'b0;
    else    if((bit_flag == 1'b1) && (work_en == 1'b1))
        bit_cnt <= bit_cnt + 1'b1;

//tx:输出数据在满足rs232协议(起始位为0,停止位为1)的情况下一位一位输出
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
        if(sys_rst_n == 1'b0)
            tx <= 1'b1; //空闲状态时为高电平
        else    if(bit_flag == 1'b1)
            case(bit_cnt)
                0       : tx <= 1'b0;
                1       : tx <= pi_data[0];
                2       : tx <= pi_data[1];
                3       : tx <= pi_data[2];
                4       : tx <= pi_data[3];
                5       : tx <= pi_data[4];
                6       : tx <= pi_data[5];
                7       : tx <= pi_data[6];
                8       : tx <= pi_data[7];
                9       : tx <= 1'b1;
                default : tx <= 1'b1;
            endcase

endmodule
`timescale  1ns/1ns
module  fifo_sum_ctrl
(
    input   wire          sys_clk     ,   //频率为50MHz
    input   wire          sys_rst_n   ,   //复位信号,低有效
    input   wire  [7:0]   pi_data     ,   //rx传入的数据信号
    input   wire          pi_flag     ,   //rx传入的标志信号

    output  reg   [7:0]   po_sum      ,   //求和运算后的信号
    output  reg           po_flag         //输出数据标志信号
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
parameter   CNT_ROW_MAX = 7'd49 ,   //行计数最大值
            CNT_COL_MAX = 7'd49 ;   //列计数最大值

//wire  define
wire  [7:0]   data_out1   ;   //fifo1数据输出
wire  [7:0]   data_out2   ;   //fifo2数据输出

//reg   define 
reg   [6:0]   cnt_row     ;   //行计数
reg   [6:0]   cnt_col     ;   //场计数
reg           wr_en1      ;   //fifo1写使能
reg           wr_en2      ;   //fifo2写使能
reg   [7:0]   data_in1    ;   //fifo1写数据输入  
reg   [7:0]   data_in2    ;   //fifo2写数据输入
reg           rd_en       ;   //fifo1、fifo2共用的读使能
reg           dout_flag   ;   //控制fifo1,2-84行的写使能
reg           po_flag_reg ;   //输出标志位缓存,rd_en延后一拍得到,控制计算po_sum

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//cnt_row:行计数器,计数一行数据个数
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_row <=  7'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX) && (pi_flag == 1'b1))
        cnt_row <=  7'd0;
    else    if(pi_flag == 1'b1)
        cnt_row <=  cnt_row + 1'b1;
end

//cnt_col:列计数器,计数数据行数
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        cnt_col <=  7'd0;
    else    if((cnt_col == CNT_COL_MAX) && (pi_flag == 1'b1) && (cnt_row == CNT_ROW_MAX))
        cnt_col <=  7'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX) && (pi_flag == 1'b1))
        cnt_col <=  cnt_col + 1'b1;
end

//wr_en1:fifo1写使能信号,高电平有效
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        wr_en1  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col == 7'd0) && (pi_flag == 1'b1))
        wr_en1  <=  1'b1;          //第0行写入fifo1
    else
        wr_en1  <=  dout_flag;  //2-84行写入fifo1
end

//wr_en2:fifo2写使能信号,高电平有效
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        wr_en2  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col >= 7'd1) && (cnt_col <= CNT_COL_MAX - 1'b1) && (pi_flag == 1'b1))
        wr_en2  <=  1'b1;          //2-CNT_COL_MAX行写入fifo2
    else
      wr_en2  <=  1'b0;
end

//data_in1:fifo1数据输入
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        data_in1  <=  8'b0;
    else    if((pi_flag == 1'b1) && (cnt_col == 7'd0))
        data_in1  <=  pi_data;  //第0行数据暂存fifo1中
    else    if(dout_flag == 1'b1)
      data_in1  <=  data_out2;//第2-CNT_COL_MAX-1行时,fifo2读出数据存入fifo1
    else
        data_in1  <=  data_in1;
end

//data_in2:fifo2数据输入
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        data_in2  <=  8'b0;
    else    if((pi_flag == 1'b1)&&(cnt_col >= 7'd1)&&(cnt_col <= (CNT_COL_MAX - 1'b1)))
        data_in2  <=  pi_data;
    else
        data_in2  <=  data_in2;
end

//rd_en:fifo1和fifo2的共用读使能信号
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        rd_en <=  1'b0;
    else    if((pi_flag == 1'b1)&&(cnt_col >= 7'd2)&&(cnt_col <= CNT_COL_MAX))
        rd_en <=  1'b1;
    else
        rd_en <=  1'b0;
end

//dout_flag:控制2-CNT_COL_MAX-1行wr_en1信号
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        dout_flag <=  0;
    else    if((wr_en2 == 1'b1) && (rd_en == 1'b1))
        dout_flag <=  1'b1;
    else
        dout_flag <=  1'b0;
end

//po_flag_reg:输出标志位缓存,延后rd_en一拍,控制po_sum信号
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_flag_reg <=  1'b0;
    else    if(rd_en == 1'b1)
        po_flag_reg <=  1'b1;
    else
        po_flag_reg <=  1'b0;
end

//po_flag:输出标志信号,延后输出标志位缓存一拍,与po_sum同步输出
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_flag <=  1'b0;
    else
        po_flag <=  po_flag_reg;
end

//po_sum:求和数据输出
always@(posedge sys_clk or  negedge sys_rst_n)
begin
    if(sys_rst_n == 1'b0)
        po_sum  <=  8'b0;
    else    if(po_flag_reg == 1'b1)
        po_sum  <=  data_out1 + data_out2 + pi_data;
    else
        po_sum  <=  po_sum;
end

//********************************************************************//
//*************************** Instantiation **************************//
//********************************************************************//

//------------- fifo_data_inst1 --------------
fifo_data   fifo_data_inst1
(
    .clock  (sys_clk    ),  //input clock
    .data   (data_in1   ),  //input [7:0] data
    .wrreq  (wr_en1     ),  //input wrreq
    .rdreq  (rd_en      ),  //input rdreq

    .q      (data_out1  )   //output [7:0] q
);

//------------- fifo_data_inst2 --------------
fifo_data   fifo_data_inst2
(
    .clock  (sys_clk    ),  //input clock
    .data   (data_in2   ),  //input [7:0] data
    .wrreq  (wr_en2     ),  //input wrreq
    .rdreq  (rd_en      ),  //input rdreq

    .q      (data_out2  )   //output [7:0] q
);

endmodule
`timescale  1ns/1ns
module  fifo_sum
(
    input     wire    sys_clk       ,   //输入系统时钟,50MHz
    input     wire    sys_rst_n     ,   //复位信号,低电平有效
    input     wire    rx            ,   //串口数据接收

    output    wire    tx                //串口数据发送
);

//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
parameter   UART_BPS    =   14'd9600        ,   //比特率
            CLK_FREQ    =   26'd50_000_000  ;   //时钟频率

//wire define
wire    [7:0]   pi_data ;   //输入待求和数据
wire            pi_flag ;   //输入数据标志信号
wire    [7:0]   po_sum  ;   //输出求和后数据
wire            po_flag ;   //输出数据标志信号

//********************************************************************//
//*************************** Instantiation **************************//
//********************************************************************//

//------------- uart_rx_inst --------------
uart_rx
#(
    .UART_BPS    (UART_BPS  ),  //串口波特率
    .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  )   //时钟频率
)
uart_rx_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //系统时钟50Mhz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //全局复位
    .rx         (rx         ),  //串口接收数据

    .po_data    (pi_data    ),  //串转并后的数据
    .po_flag    (pi_flag    )   //串转并后的数据有效标志信号
);

//------------- fifo_sum_ctrl_inst --------------
fifo_sum_ctrl  fifo_sum_ctrl_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //频率为50MHz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //复位信号,低有效
    .pi_data    (pi_data    ),  //rx传入的数据信号
    .pi_flag    (pi_flag    ),  //rx传入的标志信号

    .po_sum     (po_sum     ),  //求和运算后的信号
    .po_flag    (po_flag    )   //输出数据标志信号
);

//------------- uart_tx_inst --------------
uart_tx
#(
    .UART_BPS    (UART_BPS  ),  //串口波特率
    .CLK_FREQ    (CLK_FREQ  )   //时钟频率
)
uart_tx_inst
(
    .sys_clk    (sys_clk    ),  //系统时钟50Mhz
    .sys_rst_n  (sys_rst_n  ),  //全局复位
    .pi_data    (po_sum     ),  //并行数据
    .pi_flag    (po_flag    ),  //并行数据有效标志信号

    .tx         (tx         )   //串口发送数据
);

endmodule

接着进行仿真:

`timescale  1ns/1ns
module  tb_fifo_sum();
//wire  define
wire            tx      ;

//reg   define
reg             clk     ;
reg             rst_n   ;
reg             rx      ;
reg     [7:0]   data_men[2499:0]    ;

//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//读取数据
initial
   $readmemh("E:/sources/fifo_sum/matlab/fifo_data.txt",data_men);

//生成时钟和复位信号
initial
  begin
    clk = 1'b1;
    rst_n <=  1'b0;
    #30
    rst_n <=  1'b1;
  end

always  #10 clk = ~clk;

//rx赋初值,调用rx_byte
initial
  begin
    rx  <=  1'b1;
    #200
    rx_byte();
  end

//rx_byte
task  rx_byte();
  integer j;
    for(j=0;j<2500;j=j+1)
      rx_bit(data_men[j]);
  endtask

//rx_bit
task  rx_bit(input[7:0] data);//data是data_men[j]的值。
  integer i;
    for(i=0;i<10;i=i+1)
      begin
        case(i)
          0:  rx  <=  1'b0;     //起始位
          1:  rx  <=  data[0];
          2:  rx  <=  data[1];
          3:  rx  <=  data[2];
          4:  rx  <=  data[3];
          5:  rx  <=  data[4];
          6:  rx  <=  data[5];
          7:  rx  <=  data[6];
          8:  rx  <=  data[7];  //上面8个发送的是数据位
          9:  rx  <=  1'b1;     //停止位
        endcase
        #1040;
      end
endtask

//重定义defparam,用于修改参数
defparam fifo_sum_inst.uart_rx_inst.CLK_FREQ    = 500000  ;
defparam fifo_sum_inst.uart_tx_inst.CLK_FREQ    = 500000  ;

//********************************************************************//
//*************************** Instantiation **************************//
//********************************************************************//
//------------- fifo_sum_inst --------------
fifo_sum    fifo_sum_inst
(
  .sys_clk      (clk    ),
  .sys_rst_n    (rst_n  ),
  .rx           (rx     ),

  .tx           (tx     )
);

endmodule

以上是关于FPGA的学习:FIFO求和实验的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

FPGA的学习:FIFO求和实验

ZYNQ之FPGA学习----FIFO IP核使用实验

ZYNQ从入门到秃头08 FPGA片内异步FIFO读写测试实验

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