ALTERA FPGA IPCORE核之FIFO详细教程

ALTERA FPGA IPCORE核之FIFO详细教程

一. FIFO简介

FIFO: 是英文first in first out的缩写，即先进先出，指的是对数据的存储具有先进先出特性的缓存器。从字面意思上就可以大致看出和RAM和ROM的区别，即没有地址线，无法像RAM和ROM一样写入或读出指定地址的数据，而必须按顺序读出。
根据读写操作是否使用同一个时钟，可以将FIFO分为两类：

• 同步FIFO

  读写操作使用同一个时钟，一般用于数据缓存

• 异步FIFO

  读写操作使用不同的时钟，一般用于跨时钟域处理，比如我们在做视频相关项目时，假如我们的摄像头的像素时钟是25MHZ，SDRAM的读写时钟是100MHZ，那我们要把采集到的视频数据写入SDRAM，那么就必须要用到异步FIFO，进行跨时钟域处理。还有一种应用场景，读写数据的位宽不一致时，比如写入的数据是16位，读出的数据需要8位，这时候使用异步FIFO，只需要分别选择写数据位宽和读数据位宽，非常方便，值得注意的是QuartusII中的同步FIFO，读数据位宽是无法进行更改，默认和写数据位宽一致。

二. FIFO IPCORE生成步骤及参数介绍

不同公司的FPGA，生成的FIFO大同小异，本篇我们以一个实例来对ALTERA的IPCORE来进行介绍。我们要生成一个写数据位宽8，读数据位宽16的异步FIFO，利用Modelsim仿真来观察FIFO的时序波形。

2.1 首先打开QuartusII软件,新建一个工程，命令为async_fifo_test

新建QuartusII工程的步骤就不一一说明，为了方便上板验证，选用我们开发板上的器件：EP4CE6F17C8

2.2 FIFO IPCORE配置

2.2.1 Tools–>MegaWizard Plug-In Manager，如下图所示：

2.2.1 生成IPCORE，命名为async_fifo_w8r16_d1024
我们在对IPCORE命名时，最好能体现出该IPCORE的一些主要特性，比如我们上面的命令，我们知道是一个异步FIFO，写数据位宽8，读数据位宽16，深度1024。说到这，就有必要说一下非对称读写位宽。读写数据的位宽可以不一致，但是必须满足比例关系：1：8，1：4，1：2，1：1，那么读写位宽不一致，数据的排序关系是怎么样的呢？我们分两种情况做一下说明：

1. 写位宽大于读位宽，直截了当我做了一个简单的测试程序仿真出的波形如下：
   

   通过仿真可以看出，写入16’h0102，先读出的是8’h02，接着读出的是8’h01，是不是和我们想的不一样，所以这个地方一定要注意噢

2. 写位宽小于读位宽，直截了当我做了一个简单的测试程序仿真出的波形如下：
   

   通过仿真可以看出，写入8’h01，8’h02两个数，读出的是16’h0201，是不是和我们想的不一样，所以这个地方一定要注意噢
   生成FIFO的步骤如下图所示：
   
   
   
   
   
   
   
   
   

当我们生成好后可以看到左边FIFO框图上显示了FIFO的输入输出接口，左下角是FIFO使用的FPGA内部资源。

FIFO各接口定义如下：

1. wrfull：选用写时钟域，写满是指写得快读得慢，FIFO里面的存储数据超过了FIFO的深度，如果这时候再继续写，数据就会溢出丢失,所以这时需要禁止再往FIFO 中写入数据，防止数据溢出丢失。高电平表示FIFO写入数据量达到 FIFO 设置的最大空间
2. rdempty：选用读时钟域，高电平表示 FIFO 中已经没有数据了，此时应该通过该信号控制读请求信号（也称为读使能信号），禁止
   FIFO 继续再读出数据，否则读出的将是无效数据。
3. rdusedw：为FIFO里面存存储的数据个数。在某些应用场景下，我们需要用到usedw时钟监测FIFO存储的数据个数，但是需要注意，同步FIFO的数据计数是准确的，因为读写时钟相同，不需要做跨时钟域处理；但是异步FIFO的计数就不准确了，只能粗略的进行判断，比如半空，半满等。
4. wrreq：写使能，高电平有效
5. wrclk：写时钟
6. data：写数据，位宽8
7. rdreq：读使能，高电平有效
8. rdclk：读时钟
9. aclr：异步复位信号，用于清空 FIFO
10. almost full：几乎满标志信号，我们可以控制 FIFO 快要被写满的时候和 full 信号的作用一样。
11. almost empty：几乎空标志信号，我们可以控制 FIFO 快要被读空的时候和 empty 信号的作用一样。
12. Synchronous clear：同步复位信号，用于清空 FIFO。
    10~12的信号，本例程的FIFO没有生成，大家可根据具体需求选择是否生成这些信号。

三. Verilog代码设计

`timescale 1ns / 100ps
module async_fifo_test(
	input	clk			,//50MHZ
	input	rst_n		,
	output	[15:0]	dout
	);
	reg	[ 7:0]	fifo_wdata	;
	reg			fifo_wren	;
	reg			fifo_rden	;
	wire[15:0]	fifo_rdata	;
	wire		fifo_wclk	;
	wire		fifo_rclk	;
	wire		locked		;
	reg	[9:0]	wr_cnt		;
	reg	[8:0]	rd_cnt		;
	assign	dout=fifo_rdata	;
	//注意需要在fifo_wclk时钟域下，因为fifo写使能和写数据都是在该计数器（wr_cnt）下生成
	always@(posedge fifo_wclk or negedge locked)begin
		if(!locked)
			wr_cnt<=0;
		else 
			wr_cnt<=wr_cnt+1;
	end
	//注意需要在fifo_rclk时钟域下，因为fifo读使能是在该计数器（rd_cnt）下生成
	always@(posedge fifo_rclk or negedge locked)begin
		if(!locked)
			rd_cnt<=0;
		else 
			rd_cnt<=rd_cnt+1;
	end
	//在fifo_wclk时钟域下生成FIFO写数据和写使能，位宽8位，写100个数据
	always@(posedge fifo_wclk or negedge locked)begin
		if(!locked)begin
			fifo_wren<=0;
			fifo_wdata<=0;
		end else if(wr_cnt>0&&wr_cnt<=100)begin
			fifo_wren<=1;
			fifo_wdata<=fifo_wdata+1;
		end else begin
			fifo_wren<=0;
		end
	end
	//在fifo_rclk时钟域下生成FIFO读使能，读数据的位宽是16位，所以读50个数据就将FIFo读空
	always@(posedge fifo_rclk or negedge locked)begin
		if(!locked)
			fifo_rden<=0;
		else if(rd_cnt>100&&rd_cnt<=150)
			fifo_rden<=1;
		else
			fifo_rden<=0;
	end
	//利用PLL生成FIFO的读写时钟，写时钟25MHZ，读时钟50MHZ
	pll Upll(
	.areset		(~rst_n		),
	.inclk0		(clk		),
	.c0			(fifo_wclk	),
	.c1			(fifo_rclk	),
	.locked 	(locked		)
	);
	//例化FIFO IPCORE
	async_fifo_w8r16_d1024 Uasync_fifo_w8r16_d1024(
	.aclr		(~rst_n		),//复位，高电平复位
	.data		(fifo_wdata	),//写数据
	.rdclk		(fifo_rclk	),//读时钟
	.rdreq		(fifo_rden	),//读使能
	.wrclk		(fifo_wclk	),//写时钟
	.wrreq		(fifo_wren	),//写使能
	.q			(fifo_rdata	),//读数据
	.rdempty	(),//读空标志
	.rdusedw	(),//在读时钟域下，FIFO中当前存储的数据个数，数据位宽16位
	.wrfull ()//写满标志
	);
endmodule

四. Verilog测试代码设计

`timescale 1ns / 100ps
module async_fifo_test_tb;
	reg					clk			=1;
	reg					rst_n		=0;
initial
	begin
		#1000
		rst_n=1;
	end
//生成激励时钟
always #10 clk<=~clk;
//例化被测试模块
async_fifo_test Uasync_fifo_test(
	.clk	(clk	),//50MHZ
	.rst_n	(rst_n	),
	.dout   (		)
	);
endmodule

五. 仿真波形分析

1.aclr	:fifo复位信号，高电平复位
2.wrclk	：fifo写时钟
3.wrreq	：fifo写使能，高电平时表示写入数据。
4.rdclk	：fifO读时钟
5.rdreq	：fifo读使能，高电平表示读数据，由于我们选择是正常模式，所以在rdreq有效时，会延时一个时钟周期才会出有效数据。
6.q：fifo读数据
7.rdempty：空标志，高电平表示fifo为空，在仿真波形中可以看出在fifo复位时且未写入数据时，rdempty为高电平，当前fifo为空。
8.rdusedw：FIFO里面存存储的数据个数，由于我们用的是异步fifO,这个数据并不能精确的反应fifo里面的数据个数，只能做一个参考。通过上面的仿真图也可以看出，rdusedw并没有精确的反应fifo中的数据个数。
9.wrfull:满标志，当fifo中存储的数据个数超过fifo自身的深度时，便会溢出，wrful置高。
通过上面的仿真图，我们可以看到wrfull一直为低，所以fifo数据未溢出，不会造成数据丢失。同时，fifo在进行读操作时，rdempty一直为低，说明在读数据时，fifo中一直有数据，不会读出无效数据。一般来说，只要fifo操作满足以上两个条件，便可进行正常的数据写入和读取。