IP核之初——FIFO

Posted 2020-10-09

　　本文设计思路源自明德扬至简设计法。在之前的几篇博文中，由于设计比较简单，所有的功能都是用verilogHDL代码编写实现的。我们要学会站在巨人的肩膀上，这时候就该IP核登场了！

　　说白了，IP核就是别人做好了的硬件模块，提供完整的用户接口和说明文档，更复杂的还有示例工程，你只要能用好这个IP核，设计已经完成一半了。说起来容易，从冗长的英文文档和网上各个非标准教程中汲取所需，并灵活运用还是需要下一番功夫的。

　　我认为其中最重要的几点如下：

　　1) 提供给IP核正确的时钟和复位条件；

　　2) 明确各个重要用户接口功能；

　　3) 掌握所需指令的操作时序；

　　4) 知道内部寄存器地址及功能和配置方式、顺序；

　　5) 会从官方示例工程中学会IP核正确使用方式；

　　今天来讲讲一个最常用的IP核，FIFO。可以说它是FPGA能如此灵活处理数据的基础，常用于异步时钟域处理、位宽转换以及需要数据缓存的场合。先来说明下，对于初学者和刚接触一个IP核的人来说，不要过分关注IP核的每一个参数和功能，更没必要知道内部的具体结构和工作原理（还没忘之前使用的ILA吧，反正我是不知道具体怎么设计出来的）只需掌握最常用的和最重要的，把IP核用起来就大功告成了。先从生成IP核开始吧：

　　配置向导中第一页中是选择FIFO的接口模式和实现方式。这里我们用原始的接口方式。箭头处是实现方式，如果需要异步时钟域处理选择读写独立时钟模式。

　　第二页中需要特意强调的是读模式的选择。其实这里的First Word Fall Through对应的就是Altera FPGA中FIFO IP核读模式中的Show ahead模式嘛，换个名字而已。这个读模式的特点是在读使能有效之前，即把FIFO中第一个数据从读数据端口持续送出。在这种模式下，读使能信号倒像是“读清”信号，把上一次的数据清除掉，让FIFO送出下一个数据。这样做的处是符合dout 和dout_vld相配合的输出信号方式。（不懂的先记下，后面会举例阐述）

　　第三页是配置一些可选的标志位，可以根据需要灵活实现一些标志位和握手特性（我是从来没用过）。

　　第四页可选FIFO内缓存数据量计数器，由于我开始选择的是异步FIFO模式，所以此处有两个计数器分别与读侧和写侧时钟上升沿同步。注意一点：这两个计数器均表示FIFO缓存数据量，只不过在时钟上有些偏差，切不可错误理解为是写入了或者读出了多少个数据。

　　最后总结页，把前边的参数和配置汇总下。没有问题可以点击OK了！

　　IP核生成好了，接下来要正确用起来。我们把以太网接口数据传输作为案例背景，通常来说是FPGA逻辑+MAC IP核+外部PHY芯片的架构。若想让MAC IP核正确接收待发送数据，需要将数据进行封包并加入MAC头部信息。

　　为简化设计，先只考虑对封包后数据添加MAC头部的功能，也就是说此时输入的数据即是长度符合以太网规范，且具有数据包格式的数据。由于在数据部分输出前加额外的信息，所以先要缓存输入的数据直到MAC头输出完成再将写入数据发送出来，因此需要用FIFO缓存数据。进一步分析，经过分包后的数据格式如下：

　　其中sop和eop分别是包头，包尾指示信号，data_vld是数据有效指示信号。为了让该模块输出端知道何时输出完一个数据包，要把eop信号和数据信号拼接写入FIFO中，这样输出端发出eop时进入新一轮循环。如果根据写入sop信号来作为开始发送MAC头部和数据部分的标志，试想当一个短包紧跟着一个长包写进FIFO中时，输出端正在送出上一长包剩下的几个数据，无法响应短包的sop信号指示，那么短包即被“丢弃”了。为了避免丢包现象，需要满足“读写隔离规则”，即FIFO读操作和写操作两者不能根据一方的情况来决定另一方的行为。进一步引出“双FIFO架构”，使用数据FIFO缓存数据，而信息FIFO保留指示信息，这样讲写侧的指示信号写入信息FIFO中，数据FIFO可以根据信息FIFO读侧的信息来判断读的行为，也就满足了读写隔离规则。

 

　　在该模块中，可以在写侧出现sop信号时写入信息FIFO一个指示信息，所以当信息FIFO非空即表示有一个数据包正在进来，此时发送MAC头信息，随之读取数据FIFO中缓存数据，当读侧出现eop信号则读清信息FIFO，循环往复完成了添加头部信息的工作。

 　　有了项目需求，设计思路后明确模块接口列表：

　　现在开始编写代码了：