【芯片前端】根据数据有效选择输出的握手型FIFO结构探究
前言
之前要做一个一读多写的fifo，也就是master写入数据到fifo中，多个slave读取数据，结构如下图所示：
由于slave需要的数据一致，fifo内只需要例化一个ram以节约空间。这个fifo的具体结构下次博客中再来讨论。在这个fifo之后，又衍生出一个新的需求，就是master写入的数据并非每个slave都需要读取，而是需要甄选，比如trc0是slave0/1/2均需要读取，trc1只有slave1/2需要slave0将知丢弃即可。这个需求也不难，在fifo的出口根据每个slave_en对握手进行处理即可。
而后，叒衍生了一个需求，就是如果某一slave连续不需要数据，那么需要直接读出下一个需要的数据，中间不要有空泡，对于某一个slave来说简单的示意图如下：
归结一下需求（不考虑一对多的场景，一对多只需要在一对一的外面裹一些逻辑，暂不展开）， 就是fifo写入的数据不是每一个都需要输出，只需要输出需要的数据（令power=1为需要的数据），那么我们由需求得到了下面的接口：
module bypass_fifo #(
parameter DEPTH = 8,
parameter WIDTH = 128
)(
input clk,
input rst_n,
input in_valid,
input [WIDTH -1:0] in_data,
input in_power,
output in_ready,
output out_valid,
output [WIDTH -1:0] out_data,
input out_ready
);代码实现
这个结构的难点在于，读指针不是连续加1，而是需要跳跃性的去找下一个有效的点：
因此我最开始的做法是写一个for-if结构，if找到了下一个power就停止否则一直找到wr_ptr所在的位置，而确实我也完成了RTL代码并确认了这个写法可以综合。但是后来我进一步的思考，发现这就是一个”找首1”的的结构：
而“找首1”的结构是有固定套路的因此又往前推进了一点点。接下来还是继续思考这个问题，我记起来为什么我会写“找首1”呢？因为之前写了一个rr调度的代码，里面需要有这个逻辑：
【芯片前端】与RR调度的相爱相杀——verilog实现RR调度器
因此我突然灵光乍现，这东西不就是个RR调度吗？再仔细看这个结构，实际上每个power为1对应的项就是需要被调度的一路，为0的项等价于没有调度请求。rd_ptr从0 -> 2的过程，实际就是使第1项被丢弃的过程。
那么有一个关键问题需要解决，是用keep型的rr调度还是非keep型的呢？keep型与非keep型主要的差别在于ack返回前调度逻辑看到的req是否会改变。在这个场景下个人认为都可以的，因为fifo本身读写指针的控制机智（读指针不能跨越写指针，写指针也不能跨越读指针）以及数据输入的顺序，应该是不用专门使用keep型的调度器。因此我选择了非keep型的调度器。rr调度的接口与行为就不赘述了，直接分析下如何组织外部的逻辑：
//==================================================================
//bitmap维护
//==================================================================
reg [BM_WD -1:0]power_bitmap_q;
wire power_bitmap_en = in_hand_en || out_inner_hand_en;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_d;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_in;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_out;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_waddr;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap;
assign power_bitmap_in = ({{(BM_WD-1){1'b0}}, (in_hand_en & in_power & 1'b1)} << waddr);//0010
assign power_bitmap_out = ~({{(BM_WD-1){1'b0}}, (out_inner_hand_en & 1'b1)} << raddr);//1011
assign power_bitmap_d = (power_bitmap_q & power_bitmap_out) | power_bitmap_in;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)
power_bitmap_q <= {BM_WD{1'b0}};
else if(power_bitmap_en)
power_bitmap_q <= power_bitmap_d;
end
assign power_bitmap_waddr = ({{(BM_WD-1){1'b0}}, 1'b1} << waddr);
assign power_bitmap = power_bitmap_q | power_bitmap_waddr;说一下大概的一个思路：
- 有数据写入时（in_hand_en==1)，把对应power根据rd_addr写到对应的req位置上去；
- 有数据被读出时（out_inner_hand_en），把对应req的位置清为0，因为握手型（我这个）fifo的不会发生同一拍对同一个位置进行读写，因此没有竞争；
- waddr所在的那个位置，req必须是1，要不raddr直接跨过去waddr索引到后面肯定是不行的，所以最终的bitmap（也就是req）必须要或一下；
因此进一步例化rr调度器就可以了：
wire [BM_WD -1:0]grant;
rr_dispatch #(.WD(BM_WD), .KEEP_MODE(0))
u_rr
(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.req(power_bitmap),
.ack(out_inner_hand_en),
.grant(grant)
);通过grant来获得raddr：
//==================================================================
//读出计数器
//==================================================================
reg [DP_WD :0]raddr_d;
wire renc;
always @* begin: RADDR_D
integer i;
for(i=0; i最后的输出逻辑要进一步组织下：
//==================================================================
//输出逻辑
//==================================================================
wire inner_out_real = power_bitmap[raddr];
assign inner_out_valid = (raddr != waddr);
assign inner_out_ready = out_ready || (~inner_out_real);
assign out_valid = inner_out_valid && inner_out_real;
assign in_ready = !((raddr[DP_WD -1:0] == waddr[DP_WD -1:0]) && (raddr[DP_WD] != waddr[DP_WD]));
什么时候才是真正有效的输出呢（out_valid = 1），必须是power_bitmap[raddr]==1（这里我认为用power_bitmap_q[raddr]更为准确，不过下面用raddr != waddr做了处理，逻辑上也是没有问题的），同时raddr != waddr。对于in_ready而言，和普通的握手型fifo没有区别。
仿真结果
截取了部分时间的仿真波形，可以看到如d/11/16/18这些数据并没有输出，且输出数据ready可接时没有空泡。
完整代码
module bypass_fifo_new #(
parameter DEPTH = 8,
parameter WIDTH = 128
)(
input clk,
input rst_n,
input in_valid,
input [WIDTH -1:0] in_data,
input in_power,
output in_ready,
output out_valid,
output [WIDTH -1:0] out_data,
input out_ready
);
localparam DP_WD = DEPTH == 1 ? 1 : $clog2(DEPTH);
localparam BM_WD = DEPTH*2;
//==================================================================
//公用信号
//==================================================================
wire inner_out_valid;
wire inner_out_ready;
wire in_hand_en = in_valid && in_ready;
wire out_hand_en = out_valid && out_ready;
wire out_inner_hand_en = inner_out_valid && inner_out_ready;
reg [DP_WD :0]waddr;
//reg [DP_WD :0]raddr;
wire [DP_WD :0]raddr;
//==================================================================
//写入计数器
//==================================================================
wire wenc;
wire waddr_d_h;
wire [DP_WD -1:0]waddr_d_l;
assign wenc = in_hand_en;
assign waddr_d_h = (waddr[DP_WD-1:0] == DEPTH-1) ? ~waddr[DP_WD] : waddr[DP_WD];
assign waddr_d_l = (waddr[DP_WD-1:0] == DEPTH-1) ? 0 : waddr[DP_WD-1:0] + 1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n) waddr <= 0;
else if(wenc) waddr <= {waddr_d_h, waddr_d_l};
end
//==================================================================
//bitmap维护
//==================================================================
reg [BM_WD -1:0]power_bitmap_q;
wire power_bitmap_en = in_hand_en || out_inner_hand_en;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_d;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_in;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_out;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap_waddr;
wire [BM_WD -1:0]power_bitmap;
assign power_bitmap_in = ({{(BM_WD-1){1'b0}}, (in_hand_en & in_power & 1'b1)} << waddr);//0010
assign power_bitmap_out = ~({{(BM_WD-1){1'b0}}, (out_inner_hand_en & 1'b1)} << raddr);//1011
assign power_bitmap_d = (power_bitmap_q & power_bitmap_out) | power_bitmap_in;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(~rst_n)
power_bitmap_q <= {BM_WD{1'b0}};
else if(power_bitmap_en)
power_bitmap_q <= power_bitmap_d;
end
assign power_bitmap_waddr = ({{(BM_WD-1){1'b0}}, 1'b1} << waddr);
assign power_bitmap = power_bitmap_q | power_bitmap_waddr;
//==================================================================
//
//==================================================================
wire [BM_WD -1:0]grant;
rr_dispatch #(.WD(BM_WD), .KEEP_MODE(0))
u_rr
(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.req(power_bitmap),
.ack(out_inner_hand_en),
.grant(grant)
);
//==================================================================
//读出计数器
//==================================================================
reg [DP_WD :0]raddr_d;
wire renc;
always @* begin: RADDR_D
integer i;
for(i=0; i