verilog常考面试题之同步FIFO设计（给定位宽和深度）

Posted 2022-03-08 秦枫-_-

fifo（first in first out）fifo的作用是缓冲，分为同步fifo和异步fifo，跟其他存储单元例如RAM的区别最大在于RAM有地址线，可寻址读写，而FIFO不可寻址,所以读写地址得用读写指针生成。

1.同步fifo的写时钟和读时钟是同一个时钟域（信号基于同一个时钟变化）

2.同步fifo的三部分：

fifo写控制逻辑：产生写地址（决定往哪写，从0开始写）、写有效信号、写满（决定是否还能写）等信号；
fifo读控制逻辑：产生读地址（决定从哪读，从0开始读）、读有效信号、读满（决定是否还能读）等信号；
fifo的存储实体（reg、memory）

例如：给定位宽为8，深度16

一、首先定义参数，方便后续修改或者其他人使用时直接通过传参进行，包括数据位宽、FIFO深度、地址位宽（log2（fifo深度））、读的模式（组合逻辑或者时序逻辑），读指针，写指针，存储状态。接口信号主要是：时钟和复位、写的端口信号、读的端口信号

module
#(
  parameter addr_width=4,
  parameter data_width=8,
  parameter data_depth=1<<addr_width,
)
(input clk,
 input rstn,
 input [data_depth-1:0] w_data,
 output [data_depth-1:0] r_data,
 input w_en,
 input r_en,
 output full,
 output empty,

 reg [data_depth-1:0] w_pointer,//写指针产生写地址
 reg [data_depth-1:0] r_pointer,//读指针产生读地址
 reg [data_width-1:0]mem[data_depth-1:0]//存储器用于存数据,
 reg [data_depth-1:0] status,//用于空满状态判断,

二、空满状态判断

assign full=(status==data_depth-1)?`b1:`b0;
assign empty=(status==0)?`b1:`b0;

三、读写指针的控制：当写（读）指针=深度-1，表示满，写（读）指针清零。当写有效且未满时，写指针加1；当读有效且未空时，读指针减1。

//写
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
   if(!rstn)
    w_pointer<=0;
    else if(full)
     w_pointer<=0;
     else if(w_en && ~full)
      w_pointer<= w_pointer+1;
    end
// 读  
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
   if(!rstn)
    r_pointer<=0;
    else if(empty)
     r_pointer<=0;
     else if(r_en && ~empty)
      r_pointer<= r_pointer+1;
    end  

四、存储器状态，当同时读写时，保持；写，加1；读，减1。（时序逻辑的else可写可不写，本身带有保持）

always @(posedge clk or negedge rstn)begin
   if(!rstn)
    status<=0;
    else if(w_en && r_en)
     status<=status;
     else if(r_en && ~empty)
      status<= status-1;
      else if(w_en && ~full)
      status<= status+1;
    end  

五、写入数据，将写入的数据存入memory中。数组需要一位一位的索引，一位一位的赋值，因此用了for循环（for循环不耗时）

integer i;
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
   if(!rstn)begin
    for(i=0;i<data_depth;i=i+1)
    mem[i]<=0;
    end
    else if(w_en && ~full)
    mem[w_pointer]<=w_data;
end

六、读数据

always @(posedge clk or negedge rstn)begin
   if(!rstn)begin
   r_data<=0;
   end
   else if(r_en && ~empty)
   r_data<=mem[r_pointer];
end