数据缓存器FIFO IP核调取及应用

Posted 2022-10-29 mengyi1989

写在前面的话

在项目设计中，我们通常需要在两个模块之间传输数据，如果两个模块的数据处理速率相同，那么自然没有任何问题，直接数据对接就可以。但是，如果两个模块的数据处理速度不同呢?数据接收模块和数据发送模块的速度不一致，必然会导致采集数据的遗漏或错误。那么，该如何解决这个问题呢？梦翼师兄的办法是在他们之间加一个数据缓存器，所有数据先经过缓存器缓存，然后再输入到数据接收模块。那么本节，梦翼师兄和大家一起学习用做数据缓存的存储IP核-FIFO的设计。

项目需求

创建两个模块，一个作为数据发送模块，另一个作为数据接收模块。发送模块检测到FIFO为空则开始向FIFO中写入数据，直到FIFO写满为止。数据接收模块检测到FIFO为满则开始从FIFO中读出数据，直到FIFO读空为止。

操作步骤 

在右侧的IP核搜索区，输入fifo，然后双击【FI

选择语言类型为Verilog，并命名

 

 

 

点击【OK】

设置fifo的的存储深度和每一个存储空间的比特位数，选择输入和读出不是同一个时钟，fifo就会出现读时钟和写时钟

点击【NEXT】，选择端口如下

点击【NEXT】

 

 

选中my_fifo_inst.v文件,然后点击【Finish】退出即可。

fifo的读端口信号		fifo的写端口信号
端口名称	端口介绍	端口名称	端口介绍
full	读满信号（rdfull），当fifo被填充满，全部没有读出时，full为真值	full	写满信号（wrfull），当fifo被写满时full为真值
empty	读空信号（rdempty），当fifo所有的数据都被读出时，empty为真值	empty	写空信号（wrempty），当fifo没有任何数据被写入时，empty为真值

 

注：读端口和写端口的输出会有几拍的时间差，这是由fifo内部的结构导致的。

 顶层架构设计

FIFO是一个重要的数据缓冲器，我们设计出对应的控制模块对FIFO进行读写，根据我们在FIFO设置向导中了解到的信息，我们掌握了FIFO端口的含义，现设计架构图如下（为了方便大家理解，在这里我们选择读/写数据的时钟是相同的） 

模块功能介绍

模块名	功能描述
Wr_fifo	对fifo进行写入
Rd_fifo	对fifo进行读出
My_fifo	数据缓存器
Fifo	系统顶层模块，负责子模块级联

端口和内部连线描述

顶层模块端口介绍

端口名	端口说明
Clk	系统时钟输入
Rst_n	系统复位
q	数据输出

系统内部连线介绍

连线名	连线说明
wrreq	写请求信号
wrfull	写满信号
wrempty	写空信号
rdreq	读请求信号
rdfull	读满信号
rdempty	读空信号
data	输入fifo的数据

代码解释

Wr_fifo模块代码

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function:对fifo进行写入 *****************************************************/ 00 module wr_fifo ( 01 clk, //模块输入时钟 02 rst_n, //模块复位 03 wrfull,// 写满信号 04 wrempty,//写空信号 05 data,//fifo的输入数据 06 wrreq//写请求信号 07 ); 08 //模块输入 09 input clk;//模块输入时钟 10 input rst_n;//模块复位 11 input wrfull;// 写满信号 12 input wrempty;//写空信号 13 //模块输出 14 output reg [7:0] data;//fifo的输入数据 15 output reg wrreq;//写请求信号 16 //定义中间寄存器 17 reg state; //状态寄存器 18 19 always @ (posedge clk or negedge rst_n) 20 begin 21 if (!rst_n)//复位时，将中间寄存器和输出清零 22 begin 23 data <= 0; 24 wrreq <= 0; 25 state <= 0; 26 end 27 else 28 begin 29 case (state) 30 0 : begin 31 if (wrempty)//写空时，写请求拉高，跳到下一个状态 32 begin 33 state <= 1; 34 wrreq <= 1; 35 data <= 0; 36 end 37 else 38 state <= 0; 39 end 40 41 1 : begin 42 if (wrfull)//写满时，写请求拉低，跳回上一个状态 43 begin 44 state <= 0; 45 data <= 0; 46 wrreq <= 0; 47 end 48 else 49 begin 50 data <= data + 1; //没有写满的时候，写请求拉高，继续输入数据 51 wrreq <= 1; 52 end 53 end 54 endcase  55 end 56 end 57 58 endmodule

rd_fifo模块代码

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   E_mail        :   [e-mail]  *   The module function:对fifo进行读出 *****************************************************/ 00 module rd_fifo ( 01 clk,  //模块输入时钟 02 rst_n, //模块复位 03 rdfull,//读满信号 04 rdempty,//读空信号 05 rdreq//读请求 06 ); 07 //模块输入 08 input clk;//模块输入时钟 09 input rst_n;//模块复位 10 input rdfull;//读满信号 11 input rdempty;//读空信号 12 //模块输出 13 output reg rdreq;//读请求 14 //定义中间寄存器 15 reg state;//状态寄存器 16 17 always @ (posedge clk or negedge rst_n) 18 begin 19 if (!rst_n)//复位时，将中间寄存器和输出清零 20 begin 21 rdreq <= 0; 22 state <= 0; 23 end 24 else 25 case (state) 26 0 : begin 27 if (rdfull)//读满时，读请求拉高，跳到下一个状态 28 begin 29 rdreq <= 1; 30 state <= 1; 31 end 32 else 33 state <= 0; 34 end 35 36 1 : begin 37 if (rdempty)//读空时，读请求拉低，跳回上一个状态 38 begin 39 rdreq <= 0; 40 state <= 0; 41 end 42 else 43 begin 44 rdreq <= 1;//没有读空的时候，读请求拉高，继续读出数据 45 state <= 1; 46 end 47 end 48 endcase 49 50 end 51 52 endmodule

顶层连接模块

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function:顶层连接模块 *****************************************************/ 00 module fifo ( 01 clk,  //系统输入时钟 02 rst_n,  //系统复位 03 q //输出数据 04 ); 05  //系统输入 06 input clk; //系统输入时钟 07 input rst_n; //系统复位 08 //系统输出 09 output [7:0] q; //输出数据 10 //定义中间连线 11 wire wrfull; // 写满信号 12 wire wrempty;//写空信号 13 wire [7:0] data;//fifo的输入数据 14 wire wrreq; //写请求信号 15 wire rdfull;//读满信号 16 wire rdempty;//读空信号 17 wire rdreq;//读请求 18 // 实例化wr_fifo模块 19 wr_fifo  wr_fifo ( 20 .clk(clk),  //系统输入时钟 21 .rst_n(rst_n), //系统复位 22 .wrfull(wrfull), // 写满信号 23 .wrempty(wrempty), //写空信号 24 .data(data), //fifo的输入数据 25 .wrreq(wrreq)//写请求信号 26 ); 27 // 实例化rd_fifo模块 28 rd_fifo rd_fifo ( 29 .clk(clk),  //系统输入时钟 30 .rst_n(rst_n), //系统复位 31 .rdfull(rdfull), //读满信号 32 .rdempty(rdempty), //读空信号 33 .rdreq(rdreq)//读请求 34 ); 35 //实例化my_fifo 36 my_fifo my_fifo_inst ( 37 .data ( data ),//fifo的输入数据 38 .rdclk ( clk ),//读时钟 39 .rdreq ( rdreq ),//读请求 40 .wrclk ( clk ),//写时钟 41 .wrreq ( wrreq ),//写请求 42 .q ( q ),//输出数据 43 .rdempty ( rdempty ),//读空信号 44 .rdfull ( rdfull ),//读满信号 45 .wrempty ( wrempty ),//写空信号 46 .wrfull ( wrfull )//写满信号 47 ); 48 49 endmodule

编写完可综合代码之后，首先查看RTL视图如下：

由RTL视图可以看出，代码综合以后成的电路和我们所设计的系统框图一致，说明顶层模块连接正确，接下来编写测试代码如下：

/****************************************************            *   Engineer      :   梦翼师兄  *   QQ             :   761664056  *   The module function:fifo的仿真测试 *****************************************************/ 00  `timescale 1ns/1ps       //时间单位和精度定义 01  module fifo_tb; 02      //系统输入 03      reg clk;        //系统输入时钟 04      reg rst_n;  //系统复位 05      //系统输出 06      wire [7:0] q;       //输出数据 07 08      initial begin 09          clk = 1; 10          rst_n = 0; 11          # 200.1 12          rst_n = 1; 13      end 14       15      always # 10 clk = ~clk; //50MHz的时钟 16       17      //实例化fifo 18      fifo fifo ( 19                          .clk(clk),      //系统输入时钟 20                          .rst_n(rst_n),  //系统复位 21                          .q(q)           //输出数据 22                      ); 23 24  endmodule

仿真分析

复位结束后，由于fifo中没有任何数据，所以写空信号为1，当写入一个数据之后，写空信号变成0，写满信号一直为0。

当输入数据到达256个的时候写满信号变高，并且经过几拍之后读满信号变成1（这是由fifo内部结构导致的），当读出一个数据之后，读满信号马上就拉低。

当读出的数据达到256后，读空信号变高，经过几拍之后写空信号变高（由fifo内部结构决定），之后开始重新写数据，开始循环。