Xilinx FIFO的使用

Posted 2020-12-27 lionsde

FIFO的使用非常广泛，一般用于不同时钟域之间的数据传输，比如FIFO的一端是AD数据采集，另一端是计算机的PCI总线，假设其AD采集的速率为16位100K SPS，那么每秒的数据量为100K×16bit=1.6Mbps,而PCI总线的速度为33MHz，总线宽度32bit,其最大传输速率为33*32=1056Mbps,在两个不同的时钟域间就可以采用FIFO来作为数据缓冲。另外对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，例如单片机位8位数据输出，而DSP可能是16位数据输入，在单片机与DSP连接时就可以使用FIFO来达到数据匹配的目的。

  本文就讲通过ISE软件生成一个FIFO，并对其进行一些操作以求更加了解FIFO中各个信号的作用以及控制方法（有些简单步骤将省略不提)。

  在这步中，由于现在做的不是soc工程，选择Native.

Next后，需选择时钟和存储器类型。1，时钟，由FIFO的作用可知大部分都是读写不同步的，这里我们也选择异步模式，即读写的时钟不同。2，存储器类型，这里主要是block RAM和distribute RAM之间的区别。简而言之，block RAM是FPGA中定制的ram资源，而distribute RAM则是由LUT构成的RAM资源。由此区别表明，当FIFO较大时应选择block RAM，当FIFO较小时，选择distribute RAM.另外一个很重要的就是block RAM支持读写不同宽度，而distribute不支持。在这里为了更全面的了解FIFO，选择block RAM以拥有非对称方向速率的特性。

 

  读模式有两种选择，一般选择标准模式，至于First-Word Fall-Fhrough的含义请查看FIFO手册。写数据宽度定义为8位，写深度定义为256.读宽度定义为4位，而读深度将根据以上几个参数自动计算。但我们需要注意的是，在data port parameters处，有actual write depth和actual read depth,他们都比我们设置的要小，其意义以及原因将在例程中说明。

 

  之后便是添加信号，信号越多越难操作，但同时也能让我们更加准确的控制FIFO，这里为了更好的了解FIFO，把所有能选的信号都选上。

 

  接下来是复位信号以及可编程信号的配置。虽然在block RAM和distribute RAM中，复位信号不是必需的，但根据习惯，还是启用rst端口，且配置成同步复位，即整个FIFO共用一个复位信号，而不是读写不同的复位。至于编程信号，看选项就很容易理解了。配置如图，FIFO中数据达到200时，programmable full有效，数据为10时，programmable empty有效。

  之后是写计数和读计数，都使之有效，由于写深度是256，读深度是512.因此写计数器的宽度定义为8，读计数器的狂度定义为9.其实不一定计数器一定要比深度大，当计数器计数最大值小于数据深度时，例如数据深度为512，而计数器大小为256，则每两个数据计数器计数一次。

  最后可以看到我们配置的FIFO信息如下（注意几个关键信息），最后生成IP就好了。

 

  通过点击View HDL Instantiation Template,我们可以看到所有需要例化的信号，以及格式。

  在该FIFO例程中，首先是将1-255写入FIFO中，此时不读取，观察各个信号，然后再从FIFO中读出FIFO中存储的数据，此时不再写入，观察各信号。

代码如下：

module FIFO_top(

input clk,rst,

output  wire [3:0] dout

    );

wire clk_50M_wire;

wire [7:0] din_wire;

wire valid,wr_ack;

wire overflow,underflow;

wire almost_empty,almost_full;

wire [8:0] rd_data_count;

wire [7:0] wr_data_count;

wire prog_full,prog_empty;

wire wr_en,rd_en;

wire full,empty;

///////////////////////////////////////////////////

//二分频电路

//100M为读时钟，50M为写时钟

reg clk_50M;

assign clk_50M_wire = clk_50M ;

 

always @(posedge clk or posedge rst) begin

if (rst) clk_50M<=0;

else clk_50M<=~clk_50M;

end

///////////////////////////////////////////////

 

////////////////////////////////////////////////

reg [2:0] cnt;

 

assign wr_en =(full==0 && rd_en==0 && cnt==5)?1:0 ;//非满时写，且满后就不再写了，即便之后数据被读取导致非满

assign rd_en = (empty==0 && wr_en==0)?1:0 ;//写时不读取，写完再读取

 

reg [7:0] din;

assign din_wire = din ;

 

always @(posedge clk_50M or posedge rst) begin

if (rst) begin

din<=1;

end

else begin

if(wr_en) din<=din+1;

else din<=din;

end

end

 

always @ (posedge clk_50M or posedge rst)

if(rst) cnt<=0;

else begin

if(cnt==3‘d5) cnt<=cnt;

else cnt<=cnt+1;

end

 

FIFO FIFO (

  .rst(rst), // input rst

  .wr_clk(clk_50M_wire), // input wr_clk 50M 

  .rd_clk(clk), // input rd_cFIFOlk 100M 

  .din(din_wire), // input [7 : 0] din

  .wr_en(wr_en), // input wr_en

  .rd_en(rd_en), // input rd_en

  .dout(dout), // output [3 : 0] dout

  .full(full), // output full

  .almost_full(almost_full), // output almost_full

  .wr_ack(wr_ack), // output wr_ack

  .overflow(overflow), // output overflow

  .empty(empty), // output empty

  .almost_empty(almost_empty), // output almost_empty

  .valid(valid), // output valid

  .underflow(underflow), // output underflow

  .rd_data_count(rd_data_count), // output [8 : 0] rd_data_count

  .wr_data_count(wr_data_count), // output [7 : 0] wr_data_count

  .prog_full(prog_full), // output prog_full 200

  .prog_empty(prog_empty) // output prog_empty 10

);

endmodule

1，复位信号rst: 由结果可知，其为高电平有效，且复位后其他信号的初始值是可以在产生FIFO中配置的，之前配置为0；很重要的一点是，复位后的几个写周期内（2,3个周期）是无法进行写操作的，所以在本例程中，复位一段时间后再拉高wr_en以确保首先写入的是1.

2，写使能信号wr_en与写响应信号wr_ack:关于该信号，很重要的一点是，写入的值是wr_en拉高时的值；还是说当wr_en拉高后，下一周期才能进行写操作？如果是前者，由波形所示，写入的第一个值应该是1；如果是后者，写入的应该是2。这就需要根据读取的第一个值来判断了。而经查看，读取的第一个值为1，也就是说，只要wr_en拉高，立马就进行写操作。

从下图还能明白wr_ack的工作模式，即写入成功时，wr_ack将在下一周期拉高。也就是说，wr_en反映的是上一周期的写操作。

3，读使能信号rd_en与读响应信号valid:在读操作中，第一个读取的数据应该是0，第二个是1（原因之后解释）。由波形可知，当rd_en有效的那个上升沿，并没有进行读操作，而是在下一个周期才真正读取了数据，同时valid被拉高，这是与写操作所不同的地方。

4，写计数wr_data_count和rd_data_count:因为写数据会有256个，读数据会有512个，一旦count的大小不够，count从一开始就会失效，成为高阻态，所以应该给wr_data_count设置成8位，rd_data_count设置成9位。当把wr_data_count设置成7位，rd_data_count设置成8位时，结果见图。

正常设置时，即wr_data_count设置成8位，rd_data_count设置成9位。

在写的过程中，可以看到，wr_data_count正常计数，每次加一，但是其值滞后2个周期。而由于读操作是每次4位，写操作是每次8位，即每次写操作都意味着需要读两次才能读出数据，所以每次写操作，rd_data_count都是加2。

在读过程中，rd_data_count是每次减1。同理，wr_data_count则是每2次读操作才减1。

对于这两个信号，也有不太正常的地方。如下图，当进行了读操作的时候，wr_data_count依旧保持在255不变，rd_data_count则在505和504之间切换，且其最大值不是预期的510.

可能的原因在于wr_data_count是属于写时钟域的，读操作进行后需要一段时间才能反映到写时钟域的各个参数，这在之后的empty等信号也可以得出类似结论。

至于rd_data_count应该是受读操作以及full或者wr_data_count等信号的共同影响，导致其在505和504之间不停变换。

官方文档也提到说，wr_data_count以及rd_data_count是大概的，不是非常准确。

5，prog_full;almost_full;full：Prog_full在之前的设置中是200，该值是根据wr_data_count判定的，即当wr_data_count为200时，prog_full置一。但是由于wr_data_count滞后2个周期，所以真正写入到FIFO中的值应该有202个了。

full以及almost_full由图可知，在数据数满足要求后的下一个周期被拉高。而且当读操作进行后，这两个信号并不是立刻被拉低，和之前所提到的一样，这两个信号属于写时钟域，读操作反映到这两个信号上需要一定的时间

6，prog_empty;almost_empty;empty:

Prog_empty之前设置的是10，由波形图知，其信号还是比较准确的。

Almost_empty以及empty则提早了一个周期被拉高

也可以看到，当写操作进行时，empty等信号也不是立刻变低的，其原因也应该是属于不同时钟域。

7，underflow;overflow: 改动程序，使写信号一直有效，可以看到当full变高后的下一周期因为继续进行写操作，使得overflow也被拉高。

再改动程序，写操作一段时间后，读信号一直有效。可以看到当empty有效后，继续读操作，underflow将在下一周期被拉高。

8，关于FIFO实际读写深度的问题：在之前的设置中可以看到，我们原本设置的写深度是256，读深度是512；但是边上显示的实际读写深度分别是255,510.从结果中我们也可以看到：当写到255时（数据是1~255），full被拉高。读数据以及读数据深度是根据写数据和写深度来的，自然也就是510了。也就是说实际写深度会比设置的小1，这是在工程中需要注意的地方。

9，关于读写不对称的问题：所谓的读写不对称，即读写的位大小以及读写速率不一样。在本例程中，写入的数据是8位的，而读出的数据是4位的。那么读操作的时候是怎么样一个读出法呢？在写操作中，我们是顺序写入1~255的。通过观察读数据可知，读出的数据为：0,1,0,2,0,3……这就说明当读写非对称时，是先读取数据的高位的。

10，关于FIFO的深度计算问题：在很多笔试面试中，都会问的FIFO的深度计算问题。因此，了解这方面也是很有必要的。

网上有很多关于这方面的公式，在此就不做讨论了。其实很简单，只要先计算单位时间内读写数据量的差值，然后乘以持续时间，就是FIFO的最小深度了。但是这里还需要注意几点：

1，背靠背问题，假设写数据100个wr_clk内写入80个数据，这时就需要考虑最坏的情况，就是前20个时钟不写入，接着80个时钟写入，再后来的80个时钟继续写入，最后的20个时钟不写入。这样写入数据最集中的情况就有160个时钟写入160个数据了。

2，需要留有深度裕量，即实际的深度会比设置的小，因此应该多设置点FIFO深度，以避免丢失数据。