各种FIFO硬件设计（FIFO概念、异步、同步、非2次幂深度FIFO）
文章目录
- 一、FIFO概述
- 二、FIFO分类
- 三、FIFO重要信号与参数
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- 3.1 信号
- 3.2 参数
-
- 3.2.1 data_depth的确定
- 四、FIFO存储原理
- 五、同步FIFO
-
- 5.1 空满信号判断
- 5.2 同步FIFO源码
- 5.3 测试源码
- 5.4 功能仿真结果
- 在这里插入图片描述
- 六、异步FIFO
-
- 6.1 异步FIFO架构
- 6.2 设计源码
-
- 6.2.1 二进制-格雷码转换器
- 6.2.2 信号同步器(dff)
- 6.2.3 异步FIFO顶层
- 6.2.4 测试源码
- 6.2.5 功能仿真结果
- 七、非2的次幂FIFO
-
- 7.1 设计思路
- 7.2 设计源码
- 7.3 测试程序
- 7.4 功能仿真
- 八、非2次幂FIFO(带将空将满信号与FIFO余量)
-
- 8.1 设计源码
- 8.2 测试源码
- 8.3 功能仿真结果
(码字不易、三连支持)
一、FIFO概述
FIFO（first in first out）是一种先进先出的存储器，与栈不同，栈对应的是一种先进后出的数据存储理念。
FIFO无论是在IC设计中、IP核设计中、SOC设计中都存在广泛的应用。特别是随着设计复杂度的提高，在一个系统中往往会引入多个时钟，这也就使得数据的跨时钟域处理显得尤为重要，而FIFO正是解决这一问题的有效方法。
FIFO的设计应用：
1.德州仪器tm4c123g单片机的UART模块使用FIFO做缓冲。
2.NXP单片机正交解码器缓冲。
3.摄像头的数据缓冲。
4.使用ADC配合FIFO与DMA实现高速采集。
5.提高状态机模块的数据吞吐率（软件不需要再读状态机的busy标志位，只需关心fifo是否空满）。
二、FIFO分类
FIFO根据读写时钟域的不同可分为同步FIFO与异步FIFO。
同步FIFO是指读写通道均在相同的时钟下进行信号采样的FIFO，主要用于设备之间数据传输速率的匹配。
异步FIFO是指读写通道在不同的时钟下进行信号采样的FIFO，主要处理跨时钟域之间的数据传输问题。
系统2如果直接去采样处于时钟域1的系统数据，很有可能会采样到处于亚稳态的数据。使用异步FIFO对数据进行缓冲一定程度上减少了亚稳态发生的概率。
(无论是同步还是异步的FIFO，都是面向数据流的一种数据存储器，都具有数据缓冲作用）。
三、FIFO重要信号与参数
3.1 信号
| 通道 | 信号 | 位宽 | 描述 |
|---|---|---|---|
| nrst | 1 | 复位信号，有效时将清空FIFO中已缓冲的数据 | |
| 写通道 | clk_w | 1 | 写数据时钟，上升沿采样写通道信号 |
| 写通道 | wr_en | 1 | 写有效信号，当其无效时，FIFO将忽略写通道传输的数据；也可视为写数据的同步帧；当其有效时，FIFO会写入当前数据； |
| 写通道 | wrdata | 任意（需与RAM匹配） | 写数据输入，位宽视需求任意； |
| 写通道 | full | 1 | FIFO满信号，当写满时，此信号有效，此时FIFO将阻塞数据的输入； |
| 写通道 | almost_full | 1 | 将满信号，当FIFO中存储的数据达到或超过设定的余量时，将有效；此时FIFO不会阻塞数据的写入，但设备可以通过此信号来决定是否继续写入数据； |
| 读通道 | clk_r | 1 | 读数据通道时钟；（在同步FIFO中，该信号必须与clk_w接至同一时钟） |
| 读通道 | rd_en | 1 | 读有效信号，当其无效时，FIFO停止数据的读出；也可视为读数据的同步帧；当其有效时，FIFO会读出数据； |
| 读通道 | rddata | 任意（需与RAM匹配） | 读数据输出，位宽视需求任意； |
| 读通道 | empty | 1 | 空信号，当FIFO中数据为空时有效；此时FIFO将阻塞数据的读取； |
| 读通道 | almost_empty | 1 | 将空信号，当FIFO中存储的数据达到或低于设定的最小余量时，将有效；此时FIFO不会阻塞数据的读出，但设备可以通过此信号来判断是否继续读出数据； |
| data_count | 任意(与数据深度匹配) | 存储计数器，表示当前FIFO中存储数据的数量，设备可根据该信号来判断是否写入或读出数据； |
在FIFO实际的应用中，一般将empty与almost_full配合起来使用。为了减少FIFO上溢的风险，full信号很少使用。
3.2 参数
| 参数 | 描述 |
|---|---|
| data_depth | 数据深度，代表了FIFO缓冲数据的能力；一般为2的次幂；在支持非2次幂深度的FIFO中，可任意； |
| data_width | 数据读写宽度，一般与内部RAM匹配数据宽度，在不匹配情况下需要对数据进行补位处理； |
| addr_width | 地址宽度，与深度对应，其关系式：addr_width = log2(data_depth) |
data_depth是否越大越好？
否，data_depth应该根据读写数据方的速率进行合理确定。
过大的data_depth会消耗过多的资源（若RAM是LUT实现，则消耗大量的LUT，若是Block RAM 则消耗Block RAM资源）
3.2.1 data_depth的确定
深度的确定既要满足数据不丢失，且不能过多的浪费资源；
这里首先考虑极端情况：
如果写数据方的写入速率大于读数据方的读出速率，则FIFO的数据深度只有无穷大时，才能确保数据不溢出；显然无穷大深度的FIFO是不存在的；这种情况是无解的；
相较于上述的极端情况，更多的是考虑写入Burst数据的情况，虽然写入数据流是连续的，但写Burst之间数据往往存在时间间隔；
fw>fr，且读写之间没有空闲周期：
假设fw为100Mhz，fr为80Mhz，一个Burst传输长度为2400。
根据fw，可以知道写入一个数据需要10ns
同理根据fr，可知读出一个数据需要12.5ns
将2400个数据写入FIFO需要2400*10ns = 24000ns
而在这2400个数据被写入期间，FIFO实际被读出的数据为24000/12.5 = 1920个
则该情况下FIFO深度需要2400-1920 = 480
其他情况下的FIFO深度计算也可以参考上述的情况，无论情形如何，最终需要计算的都是写入数据与读出数据之差；
如写时钟大于读时钟，且连写入之间会有1时钟空闲，读出之间会有3时钟空闲；
这种情况下其实写入的频率变为了100Mhz/(1+1) = 50Mhz,读出频率变为了80Mhz/(3+1) = 20Mhz，后面的解法就和上面一样了；
还有些情况会给出读写使能信号的占空比，这其实也变相的给出了读写频率，如wr_en占空比50%，rd_en占空比25%则fw = 100Mhz*(50%) = 50Mhz,fr = 80Mhz*(25%) = 20Mhz；总之万变不离其宗；
四、FIFO存储原理
FIFO的存储地址是不需要设备给出的，每次读使能有效则地址自增1，每次写使能有效则地址自增1；
如果说RAM对应的是存储地址首尾不相接的数据空间，则FIFO的地址是首位相连的；
如下图在初始化后，写指针与读指针指向地址0，此时FIFO为空状态；此时若强行读出数据，r_ptr则增1，到地址1的位置，很显然此处并无数据写入这个数据是错误的，这种情况为为数据下溢；
当FIFO写入了7个数据后，w_ptr指向地址7，此时若再写入一个数据，写指针w_ptr将回到地址0，w_ptr与r_ptr相同此时FIFO写满，若继续写入数据，则会覆盖之前的数据，这就是数据的上溢。
在FIFO实际使用中，写和读操作往往同时进行，此时w_ptr与r_ptr就会在这个环式地址空间上赛跑；假设写入了5个数据，则此时w_ptr指向了地址5，此时读出了两个数据，则r_ptr指向了地址2，如下图（红色为写入数据，蓝色为已读出的数据）。
被读出的数据可以看作是被释放了出来，可以再次被写入数据；读写指针就这不断进行绕圈；
在绕圈情况中，如果r_ptr超过了w_ptr（蓝色部分完全覆盖了红色部分），则会读出错误数据；
若w_ptr超过r_ptr（红色部分覆盖了蓝色部分），则会出现覆盖数据的情况；
上述两种情况需要避免，可以通过空满信号来避免；
当r_ptr 赶上w_ptr时，则判断为空，此时FIFO阻止数据继续读出；
当w_ptr赶上r_ptr时，则判断为满，此时FIFO阻止数据继续写入；
五、同步FIFO
5.1 空满信号判断
同比FIFO设计中，空满信号的判断比较简单，我们只需要想办法描述上述的两种“赶上”情况就可以了；
描述方法有很多，这里给出一个最简单的方法：
假设深度为8，则地址宽度为3，我们在设计中对实际的地址进行1位扩位来存储“圈数”。
此时地址枚举出来如下：
我们可以看到在自增8之后，高位从0变为了1，此时就代表该指针已经开始跑第二圈了；若此时写指针追上了还在跑上一圈（高位不同）的读指针，则说明此时FIFO满；
空则是相同圈内（高位相同），读指针赶上了写指针；
上述逻辑则可以写为：
assign fifo_empty = ((w_ptr == r_ptr)||((w_ptr=='b0)&(r_ptr=='b0))) ? 1:0;
assign fifo_full = ((w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH] != r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH])&&(w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0] == r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0])) ? 1:0;
5.2 同步FIFO源码
module Synchronous_FIFO#(
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5,
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 8,
parameter integer FIFO_ADDR_WIDTH = $clog2(FIFO_DATA_DEPTH),
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8
)(
input wire nrst,
input wire clk_w,
input wire wr_en,
input wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata,
output wire fifo_full,
input wire clk_r,
input wire rd_en,
output wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata,
output wire fifo_empty
);
/
/*
w_ptr : the write data pointer (RAM Write address)
r_ptr : the read data pointer (RAM Read address)
*/
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] w_ptr;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] r_ptr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_wr_addr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_rd_addr;
assign ram_wr_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
assign ram_rd_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
/
/*
fifo_wr : (RAM Write enable). valid only when fifo is not full and fifo data write enable
fifo_rd : (RAM Read enable). valid only when fifo is not empty and fifo data read enable
*/
wire fifo_wr;
wire fifo_rd;
assign fifo_wr = (~fifo_full)&wr_en;
assign fifo_rd = (~fifo_empty)&rd_en;
/
/*
fifo_empty : valid only when w_ptr is equal with r_ptr
fifo_full : valid only when w_ptr's 1 MSB is equal with not( r_ptr's 1 MSB) and w_ptr's
other bits equals r_ptr's
*/
assign fifo_empty = ((w_ptr == r_ptr)||((w_ptr=='b0)&(r_ptr=='b0))) ? 1:0;
assign fifo_full = ((w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH] != r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH])&&(w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0] == r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0])) ? 1:0;
always @(posedge clk_w,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
w_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_wr)
w_ptr <= w_ptr + 'b1;
else
w_ptr <= w_ptr ;
end
end
always @(posedge clk_r,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
r_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_rd)
r_ptr <= r_ptr + 'b1;
else
r_ptr <= r_ptr ;
end
end
blk_mem_gen_0 ram0(
.addra (ram_wr_addr),
.clka (clk_w),
.dina (wrdata),
.wea (1),
.ena (fifo_wr),
.addrb (ram_rd_addr),
.clkb (clk_r),
.doutb (rddata),
.enb (fifo_rd)
);
endmodule
5.3 测试源码
module Synchronous_FIFO_tb(
);
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 8;
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8;
reg nrst;
reg clk;
reg wr_en;
reg [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata;
wire fifo_full;
reg rd_en;
wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata;
wire fifo_empty;
integer i;
initial begin
clk = 0;
forever begin
#1 clk = ~clk;
end
end
initial begin
nrst = 0;
#2 nrst = 1;
wr_en = 1;
wrdata = 0;
rd_en = 0;
while(wrdata <= 8)
begin
#2 wr_en = 1;
wrdata = wrdata + 1;
end
wr_en = 0;
rd_en = 1;
end
Synchronous_FIFO#(
. FIFO_DATA_DEPTH(FIFO_DATA_DEPTH),
. FIFO_DATA_WIDTH(FIFO_DATA_WIDTH)
)Synchronous_FIFO_inist0(
. nrst(nrst),
. clk_w(clk),
. wr_en(wr_en),
. wrdata(wrdata),
. fifo_full(fifo_full),
. clk_r(clk),
. rd_en(rd_en),
. rddata(rddata),
. fifo_empty(fifo_empty)
);
endmodule
5.4 功能仿真结果
六、异步FIFO
6.1 异步FIFO架构
异步FIFO设计则需要考虑同步问题；
此时同步FIFO中指针计数器会出现亚稳态问题，因为地址从上一个变化到下一个会产生多个比特位的变化，如0111到1000，变化的比特位为4位，由于布局布线的问题，每一比特位的变化速度不同，这将导致采集到不可预测的错误数据；
因此我们需要另一种比特位变化更少的编码，即格雷码；
*二进制码与格雷码对照表
如上表，相邻的两位变化的比特位仅为1；除此之外，格雷码还具有很重要的对称性，我们可以在上图的7到8之间画一条分界线，除了高位，其余为按照这条分界线对称；
另一方面，需要将转换后的格雷码进行时钟域同步，这里采用典型的二级同步器；
空逻辑判断：
将w_ptr对应的格雷码w2r_ptr_gray同步到读时钟域，再将同步后的w2r_ptr_gray与r_ptr对应的格雷码r_ptr_gray进行对比，若两者相等则判定为空；
assign fifo_empty = (r_ptr_gray == w2r_ptr_gray) ? 1:0;
满逻辑判断：
将r_ptr对应的格雷码r2w_ptr_gray同步到写时钟域，再将同步后的r2w_ptr_gray与w_ptr对应的格雷码w_ptr_gray进行对比，若两者高两位为取反关系，剩余位相同，则判断为满；
assign fifo_full = ((w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH:FIFO_ADDR_WIDTH-1] == ~(r2w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH:FIFO_ADDR_WIDTH-1]))
&&(w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH-2:0] == r2w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH-2:0])) ? 1:0;
综上，异步FIFO的架构可以总结为下图所示：
6.2 设计源码
6.2.1 二进制-格雷码转换器
module Gray_encoder#(
parameter integer DATA_WIDTH = 8
)(
input wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] data_in,
output wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] data_out
);
assign data_out = (data_in >> 1) ^ data_in;
endmodule
module Gray_decoder#(
parameter integer DATA_WIDTH = 8
)(
input wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] data_in,
output wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] data_out
);
reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] data_out_r;
assign data_out = data_out_r;
integer index;
always @(*) begin
for(index = 0; index < DATA_WIDTH; index = index + 1)
data_out_r[index] <= ^(data_in>>index);
end
endmodule
6.2.2 信号同步器(dff)
module dff#(
parameter integer DFF_LEVEL = 1,
parameter integer DATA_WIDTH = 8
)(
input wire clk,
input wire [DATA_WIDTH - 1:0] din,
input wire [DATA_WIDTH - 1:0] dout,
input wire nrst
);
reg [DATA_WIDTH - 1:0] din_buff [DFF_LEVEL-1:0];
assign dout = din_buff[DFF_LEVEL-1];
integer i;
always @(posedge clk or negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
for(i=0;i<DFF_LEVEL;i=i+1)
begin
din_buff[i] <= 'b0;
end
end
else begin
for(i=1;i<DFF_LEVEL;i=i+1)
begin
din_buff[i] <= din_buff[i-1];
end
din_buff[0] <= din;
end
end
endmodule
6.2.3 异步FIFO顶层
module Asynchronous_FIFO#(
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5,
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 8,
parameter integer FIFO_ADDR_WIDTH = $clog2(FIFO_DATA_DEPTH),
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8
)(
input wire nrst,
input wire clk_w,
input wire wr_en,
input wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata,
output wire fifo_full,
input wire clk_r,
input wire rd_en,
output wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata,
output wire fifo_empty
);
/
/*
w_ptr : the write data pointer (RAM Write address)
r_ptr : the read data pointer (RAM Read address)
*/
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] w_ptr;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] r_ptr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_wr_addr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_rd_addr;
assign ram_wr_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
assign ram_rd_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
wire fifo_wr;
wire fifo_rd;
/
/*
fifo_wr : (RAM Write enable). valid only when fifo is not full and fifo data write enable
fifo_rd : (RAM Read enable). valid only when fifo is not empty and fifo data read enable
*/
assign fifo_wr = (~fifo_full)&wr_en;
assign fifo_rd = (~fifo_empty)&rd_en;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w2r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r2w_ptr_gray;
/
/*
fifo_empty : valid only when r_ptr_gray(read ptr's gray code) is equal with w2r_ptr_gray
(w_ptr's gray code Sync from write clock domain)
fifo_full : valid only when w_ptr_gray's 2 MSB is equal with not( r2w_ptr_gray's 2 MSB) and w_ptr_gray's
other bits equals r2w_ptr_gray's
*/
assign fifo_empty = (r_ptr_gray == w2r_ptr_gray) ? 1:0;
assign fifo_full = ((w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH:FIFO_ADDR_WIDTH-1] == ~(r2w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH:FIFO_ADDR_WIDTH-1]))
&&(w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH-2:0] == r2w_ptr_gray[FIFO_ADDR_WIDTH-2:0])) ? 1:0;
/
/*
Gray code exchange logic
*/
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist0(
. data_in(w_ptr),
. data_out(w_ptr_gray)
);
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist1(
. data_in(r_ptr),
. data_out(r_ptr_gray)
);
always @(posedge clk_w,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
w_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_wr)
w_ptr <= w_ptr + 'b1;
else
w_ptr <= w_ptr ;
end
end
always @(posedge clk_r,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
r_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_rd)
r_ptr <= r_ptr + 'b1;
else
r_ptr <= r_ptr ;
end
end
/
/*
Synchronize logic across clock domains
*/
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist0(
. clk(clk_r),
. din(w_ptr_gray),
. dout(w2r_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist1(
. clk(clk_w),
. din(r_ptr_gray),
. dout(r2w_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
blk_mem_gen_0 ram0(
.addra (ram_wr_addr),
.clka (clk_w),
.dina (wrdata),
.wea (1),
.ena (fifo_wr),
.addrb (ram_rd_addr),
.clkb (clk_r),
.doutb (rddata),
.enb (fifo_rd)
);
endmodule
6.2.4 测试源码
module async_fifo_tb(
);
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5;
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 8;
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8;
reg nrst;
reg clk_w;
reg wr_en;
reg [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata;
wire fifo_full;
reg clk_r;
reg rd_en;
wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata;
wire fifo_empty;
integer i;
initial begin
clk_w = 0;
forever begin
#2 clk_w = ~clk_w;
end
end
initial begin
clk_r = 0;
#1
forever begin
#2 clk_r = ~clk_r;
end
end
initial begin
nrst = 0;
#4 nrst = 1;
wr_en = 1;
wrdata = 0;
rd_en = 0;
while(wrdata <= 8)
begin
#4 wr_en = 1;
wrdata = wrdata + 1;
end
wr_en = 0;
rd_en = 1;
end
Asynchronous_FIFO#(
. RAM_ADDR_WIDTH(RAM_ADDR_WIDTH),
. FIFO_DATA_DEPTH(FIFO_DATA_DEPTH),
. FIFO_DATA_WIDTH(FIFO_DATA_WIDTH)
)Asynchronous_FIFO_inist0(
. nrst(nrst),
. clk_w(clk_w),
. wr_en(wr_en),
. wrdata(wrdata),
. fifo_full(fifo_full),
. clk_r(clk_r),
. rd_en(rd_en),
. rddata(rddata),
. fifo_empty(fifo_empty)
);
endmodule
6.2.5 功能仿真结果
我们观察上面的仿真图，fifo_empty在写入两个数据后才拉低，fifo_full在读出两个数据后才拉低，这就是假空假满现象；
本质上这个现象是由同步器造成的，空信号是在读时钟与将读指针与同步过来的写指针进行比较，由于同步器采用了两级，因此会有两个clk的滞后输出，即实际的写地址已经增至2了，但同步过来的地址仍为0；假满状态同理；
但这种现象并不会影响FIFO的使用，因为这样产生的空满信号实际上是悲观的，虽然FIFO中有数据，但空信号仍然会阻止数据的读出，因此只会在FIFO的效率上产生影响。
七、非2的次幂FIFO
7.1 设计思路
非2次幂FIFO实际上与2次幂异步FIFO差不多，只不过在编码格式上我们需要有所改变，对应的空满信号的判断也需要稍加改动；
假设是6深度的FIFO，使用顺序的格雷码，变化的比特位就不再是1位了；
如从6变化到0，共两个码位发生了变化；
针对这个问题，可以利用格雷码的对称性解决；如下图
由13到2，（1011）到（0011）只变化了1位；
将原来的顺序格雷码映射到对称格雷码也比较简单；
只需在指针与格雷码的转换逻辑上，每次转换的指针加上一个偏置项FIFO_DEPTH_COMPLE；
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist0(
. data_in(w_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(w_ptr_gray)
);
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist1(
. data_in(r_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(r_ptr_gray)
);
FIFO_DEPTH_COMPLE同时也为地址的补偿比特位，其使得FIFO_DATA_DEPTH + FIFO_DEPTH_COMPLE 为大于FIFO_DATA_DEPTH的最小2的次幂整数；
如FIFO_DATA_DEPTH为6，则大于6的最小2次幂整数为8，则FIFO_DEPTH_COMPLE = 8 - FIFO_DATA_DEPTH = 2；
采用这种编码方式，满信号的逻辑无法再使用两格雷码高两位取反，其余位相同的逻辑来进行了；
这里采用将同步过来的格雷码形式的指针转换为二进制，再通过对两二进制指针作差取绝对值算出FIFO中当前写入的数据数，来判断是否空满；
7.2 设计源码
module Asynchronous_FIFO_npow2#(
//BLOCK RAM address width
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5,
//FIFO true depth
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 6,
//FIFO compensate depth,(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE) must be the data of power 2
parameter integer FIFO_DEPTH_COMPLE = 2,
parameter integer FIFO_ADDR_WIDTH = $clog2(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE),
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8
)(
input wire nrst,
input wire clk_w,
input wire wr_en,
input wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata,
output wire fifo_full,
input wire clk_r,
input wire rd_en,
output wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata,
output wire fifo_empty
);
/
/*
w_ptr : the write data pointer (RAM Write address)
r_ptr : the read data pointer (RAM Read address)
*/
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] w_ptr;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] r_ptr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_wr_addr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_rd_addr;
assign ram_wr_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
assign ram_rd_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
wire fifo_wr;
wire fifo_rd;
/
/*
fifo_wr : (RAM Write enable). valid only when fifo is not full and fifo data write enable
fifo_rd : (RAM Read enable). valid only when fifo is not empty and fifo data read enable
*/
assign fifo_wr = (~fifo_full)&wr_en;
assign fifo_rd = (~fifo_empty)&rd_en;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w2r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r2w_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w2r_ptr_bin;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r2w_ptr_bin;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w_fifo_data_count;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r_fifo_data_count;
assign r_fifo_data_count = ((w2r_ptr_bin - FIFO_DEPTH_COMPLE)> r_ptr) ?
(w2r_ptr_bin - r_ptr - FIFO_DEPTH_COMPLE):(r_ptr - w2r_ptr_bin + FIFO_DEPTH_COMPLE);
assign w_fifo_data_count = ((r2w_ptr_bin - FIFO_DEPTH_COMPLE)> w_ptr) ?
(r2w_ptr_bin - w_ptr - FIFO_DEPTH_COMPLE):(w_ptr - r2w_ptr_bin + FIFO_DEPTH_COMPLE);
/
/*
fifo_empty : valid only when r_ptr_gray(read ptr's gray code) is equal with w2r_ptr_gray
(w_ptr's gray code Sync from write clock domain)
fifo_full : valid only when w_ptr_gray's 2 MSB is equal with not( r2w_ptr_gray's 2 MSB) and w_ptr_gray's
other bits equals r2w_ptr_gray's
*/
assign fifo_empty = (r_fifo_data_count == 'b0) ? 1:0;
assign fifo_full = (w_fifo_data_count == FIFO_DATA_DEPTH) ? 1:0;
/
/*
Gray code exchange logic
*/
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist0(
. data_in(w_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(w_ptr_gray)
);
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist1(
. data_in(r_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(r_ptr_gray)
);
always @(posedge clk_w,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
w_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_wr)
w_ptr <= w_ptr + 'b1;
else
w_ptr <= w_ptr ;
end
end
always @(posedge clk_r,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
r_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_rd)
r_ptr <= r_ptr + 'b1;
else
r_ptr <= r_ptr ;
end
end
/
/*
Synchronize logic across clock domains
*/
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist0(
. clk(clk_r),
. din(w_ptr_gray),
. dout(w2r_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist1(
. clk(clk_w),
. din(r_ptr_gray),
. dout(r2w_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
/
/*
read and write pointer decode logic
*/
Gray_decoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_decoder_inist0(
. data_in(w2r_ptr_gray),
. data_out(w2r_ptr_bin)
);
Gray_decoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_decoder_inist1(
. data_in(r2w_ptr_gray),
. data_out(r2w_ptr_bin)
);
blk_mem_gen_0 ram0(
.addra (ram_wr_addr),
.clka (clk_w),
.dina (wrdata),
.wea (1),
.ena (fifo_wr),
.addrb (ram_rd_addr),
.clkb (clk_r),
.doutb (rddata),
.enb (fifo_rd)
);
endmodule
7.3 测试程序
module Asynchronous_FIFO_npow2_tb(
);
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5;
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 3;
parameter integer FIFO_DEPTH_COMPLE = 5;
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8;
reg nrst;
reg clk_w;
reg wr_en;
reg [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata;
wire fifo_full;
reg clk_r;
reg rd_en;
wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata;
wire fifo_empty;
integer i;
initial begin
clk_w = 0;
forever begin
#2 clk_w = ~clk_w;
end
end
initial begin
clk_r = 0;
#1
forever begin
#2 clk_r = ~clk_r;
end
end
initial begin
nrst = 0;
#4 nrst = 1;
wr_en = 1;
wrdata = 0;
rd_en = 0;
while(wrdata <= 8)
begin
#4 wr_en = 1;
wrdata = wrdata + 1;
end
wr_en = 0;
rd_en = 1;
end
Asynchronous_FIFO_npow2#(
//BLOCK RAM address width
. RAM_ADDR_WIDTH (RAM_ADDR_WIDTH),
//FIFO true depth
. FIFO_DATA_DEPTH (FIFO_DATA_DEPTH),
//FIFO compensate depth,(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE) must be the data of power 2
. FIFO_DEPTH_COMPLE (FIFO_DEPTH_COMPLE),
. FIFO_DATA_WIDTH (FIFO_DATA_WIDTH)
)Asynchronous_FIFO_npow2_inist(
. nrst(nrst),
. clk_w(clk_w),
. wr_en(wr_en),
. wrdata(wrdata),
. fifo_full(fifo_full),
. clk_r(clk_r),
. rd_en(rd_en),
. rddata(rddata),
.fifo_empty(fifo_empty)
);
endmodule
7.4 功能仿真
八、非2次幂FIFO(带将空将满信号与FIFO余量)
进一步在第七章中的FIFO上进行将空将满信号的设计；
将空将满已经在之前介绍过了，可以视作一个阈值，当FIFO中的数据数大于等于这个阈值时将满信号拉高，反之将空信号拉高；
上一章已经介绍了r_fifo_data_count与w_fifo_data_count的计算方法，我们使用这两个计数值来增加将空将满逻辑，如下：
assign fifo_almost_full = (w_fifo_data_count >= (FIFO_DATA_DEPTH - FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN)) ? 1'b1:1'b0;
assign fifo_almost_empty = ((r_fifo_data_count <= FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN)) ? 1'b1:1'b0;
FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN为余量值；
8.1 设计源码
module Asynchronous_FIFO_npow2#(
//BLOCK RAM address width
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5,
//FIFO true depth
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 6,
//FIFO degth's margin
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN = 2,
//FIFO compensate depth,(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE) must be the data of power 2
parameter integer FIFO_DEPTH_COMPLE = 2,
parameter integer FIFO_ADDR_WIDTH = $clog2(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE),
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8
)(
input wire nrst,
input wire clk_w,
input wire wr_en,
input wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata,
output wire fifo_full,
output wire fifo_almost_full,
output wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] fifo_count_wr,
input wire clk_r,
input wire rd_en,
output wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata,
output wire fifo_empty,
output wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] fifo_count_rd,
output wire fifo_almost_empty
);
/
/*
w_ptr : the write data pointer (RAM Write address)
r_ptr : the read data pointer (RAM Read address)
*/
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] w_ptr;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH:0] r_ptr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_wr_addr;
wire [RAM_ADDR_WIDTH-1:0] ram_rd_addr;
assign ram_wr_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},w_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
assign ram_rd_addr = {{(RAM_ADDR_WIDTH-FIFO_ADDR_WIDTH){1'b0}},r_ptr[FIFO_ADDR_WIDTH-1:0]};
wire fifo_wr;
wire fifo_rd;
/
/*
fifo_wr : (RAM Write enable). valid only when fifo is not full and fifo data write enable
fifo_rd : (RAM Read enable). valid only when fifo is not empty and fifo data read enable
*/
assign fifo_wr = (~fifo_full)&wr_en;
assign fifo_rd = (~fifo_empty)&rd_en;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w2r_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r2w_ptr_gray;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w2r_ptr_bin;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r2w_ptr_bin;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] w_fifo_data_count;
reg [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] r_fifo_data_count;
assign fifo_count_wr = w_fifo_data_count;
assign fifo_count_rd = r_fifo_data_count;
always@(*)
begin
if(~nrst)
begin
r_fifo_data_count <= 'b0;
end
else
begin
if(w2r_ptr_bin < FIFO_DEPTH_COMPLE)
begin
r_fifo_data_count <= 'b0;
end
else begin
if((w2r_ptr_bin - FIFO_DEPTH_COMPLE)> r_ptr)
r_fifo_data_count <= (w2r_ptr_bin - r_ptr - FIFO_DEPTH_COMPLE);
else
r_fifo_data_count <= (r_ptr - w2r_ptr_bin + FIFO_DEPTH_COMPLE);
end
end
end
always@(*)
begin
if(~nrst)
begin
w_fifo_data_count <= 'b0;
end
else
begin
if(r2w_ptr_bin < FIFO_DEPTH_COMPLE)
begin
w_fifo_data_count <= 'b0;
end
else begin
if((r2w_ptr_bin - FIFO_DEPTH_COMPLE)> w_ptr)
w_fifo_data_count <= (r2w_ptr_bin - w_ptr - FIFO_DEPTH_COMPLE);
else
w_fifo_data_count <= (w_ptr - r2w_ptr_bin + FIFO_DEPTH_COMPLE);
end
end
end
/
/*
fifo_empty : valid only when r_ptr_gray(read ptr's gray code) is equal with w2r_ptr_gray
(w_ptr's gray code Sync from write clock domain)
fifo_full : valid only when w_ptr_gray's 2 MSB is equal with not( r2w_ptr_gray's 2 MSB) and w_ptr_gray's
other bits equals r2w_ptr_gray's
*/
assign fifo_empty = (r_fifo_data_count == 'b0) ? 1:0;
assign fifo_full = (w_fifo_data_count == FIFO_DATA_DEPTH) ? 1:0;
assign fifo_almost_full = (w_fifo_data_count >= (FIFO_DATA_DEPTH - FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN)) ? 1'b1:1'b0;
assign fifo_almost_empty = ((r_fifo_data_count <= FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN)) ? 1'b1:1'b0;
/
/*
Gray code exchange logic
*/
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist0(
. data_in(w_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(w_ptr_gray)
);
Gray_encoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_encoder_inist1(
. data_in(r_ptr+FIFO_DEPTH_COMPLE),
. data_out(r_ptr_gray)
);
always @(posedge clk_w,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
w_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_wr)
w_ptr <= w_ptr + 'b1;
else
w_ptr <= w_ptr ;
end
end
always @(posedge clk_r,negedge nrst) begin
if (~nrst) begin
// reset
r_ptr <= 'b0;
end
else begin
if(fifo_rd)
r_ptr <= r_ptr + 'b1;
else
r_ptr <= r_ptr ;
end
end
/
/*
Synchronize logic across clock domains
*/
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist0(
. clk(clk_r),
. din(w_ptr_gray),
. dout(w2r_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
dff#(
.DFF_LEVEL(2),
.DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)dff_inist1(
. clk(clk_w),
. din(r_ptr_gray),
. dout(r2w_ptr_gray),
. nrst(nrst)
);
/
/*
read and write pointer decode logic
*/
Gray_decoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_decoder_inist0(
. data_in(w2r_ptr_gray),
. data_out(w2r_ptr_bin)
);
Gray_decoder#(
. DATA_WIDTH(FIFO_ADDR_WIDTH+1)
)Gray_decoder_inist1(
. data_in(r2w_ptr_gray),
. data_out(r2w_ptr_bin)
);
blk_mem_gen_0 ram0(
.addra (ram_wr_addr),
.clka (clk_w),
.dina (wrdata),
.wea (1),
.ena (fifo_wr),
.addrb (ram_rd_addr),
.clkb (clk_r),
.doutb (rddata),
.enb (fifo_rd)
);
endmodule
8.2 测试源码
module Asynchronous_FIFO_npow2_tb(
);
parameter integer RAM_ADDR_WIDTH = 5;
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH = 14;
parameter integer FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN = 2;
parameter integer FIFO_DEPTH_COMPLE = 2;
parameter integer FIFO_DATA_WIDTH = 8;
parameter integer FIFO_ADDR_WIDTH = $clog2(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE);
reg nrst;
reg clk_w;
reg wr_en;
reg [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] wrdata;
wire fifo_full;
wire fifo_almost_full;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] fifo_count_wr;
reg clk_r;
reg rd_en;
wire [FIFO_DATA_WIDTH-1:0] rddata;
wire fifo_empty;
wire [FIFO_ADDR_WIDTH : 0] fifo_count_rd;
wire fifo_almost_empty;
integer i;
initial begin
clk_w = 0;
forever begin
#2 clk_w = ~clk_w;
end
end
initial begin
clk_r = 0;
#1
forever begin
#2 clk_r = ~clk_r;
end
end
initial begin
nrst = 0;
#4 nrst = 1;
wr_en = 1;
wrdata = 0;
rd_en = 0;
while(wrdata <= 14)
begin
#4 wr_en = 1;
wrdata = wrdata + 1;
end
wr_en = 0;
rd_en = 1;
end
Asynchronous_FIFO_npow2#(
//BLOCK RAM address width
. RAM_ADDR_WIDTH (RAM_ADDR_WIDTH),
//FIFO true depth
. FIFO_DATA_DEPTH (FIFO_DATA_DEPTH),
. FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN (FIFO_DATA_DEPTH_MARGIN),
//FIFO compensate depth,(FIFO_DATA_DEPTH+FIFO_DEPTH_COMPLE) must be the data of power 2
. FIFO_DEPTH_COMPLE (FIFO_DEPTH_COMPLE),
. FIFO_DATA_WIDTH (FIFO_DATA_WIDTH)
)Asynchronous_FIFO_npow2_inist(
. nrst(nrst),
. clk_w(clk_w),
. wr_en(wr_en),
. wrdata(wrdata),
. fifo_full(fifo_full),
. fifo_almost_full(fifo_almost_full),
. fifo_count_wr(fifo_count_wr),
. clk_r(clk_r),
. rd_en(rd_en),
. rddata(rddata),
. fifo_empty(fifo_empty),
. fifo_almost_empty(fifo_almost_empty),
. fifo_count_rd(fifo_count_rd)
);
endmodule
8.3 功能仿真结果
这里观察almost_empty和almost_empty信号，其假将空与假将满产生的原因与empty和full的假空假满相同；