quartus工具篇——fifo ip核

quartus工具篇——fifo ip核

1、简介

FPGA 中的 FIFO（First-In, First-Out）是一种常见的数据缓冲器，用于在不同的时钟域之间进行数据传输。FIFO 可以暂存一定数量的数据，并支持并行读取和写入操作，同时保持先进先出的数据顺序。

FIFO 在 FPGA 中的应用非常广泛，特别是在需要处理异步数据交换的场景中。以下是一些 FIFO 的基本特性和特点：

1. 数据存储：FIFO 由一组寄存器或存储单元组成，可以暂存一定数量的数据。每个存储单元可以存储一个数据元素（如字节、字等）。存储单元之间按照 FIFO 原则连接，确保数据的顺序性。
2. 读写指针：FIFO 使用读写指针来跟踪当前读取和写入的位置，以及可用空间和已存储数据的数量。读指针指示下一个要读取的数据位置，写指针指示下一个要写入的数据位置。读写指针根据读写操作递增，并循环回到 FIFO 的起始位置。
3. 同步与异步操作：FIFO 可以在不同的时钟域之间进行数据传输，实现异步数据交换。它能够解决数据产生速率与数据消费速率不匹配时的数据处理问题。
4. 深度与宽度：FIFO 的深度表示存储单元的数量，决定了可以存储的数据量。宽度表示每个存储单元能够存储的数据位数。深度和宽度取决于具体的设计需求。
5. 读写接口：FIFO 通过独立的读取和写入接口与其他电路进行通信。读取接口用于从 FIFO 中读取数据，写入接口用于向 FIFO 中写入数据。
6. 数据管理：FIFO 提供了一些额外的功能，如读写标志、满/空状态标志等，以便有效地管理数据的读写操作。

FIFO 可以在许多应用中发挥重要作用，例如数据缓存、流水线数据传输、数据帧同步等。借助 FPGA 的灵活性，我们可以根据具体的需求和设计约束来实现定制化的 FIFO。

同步fifo与异步fifo的比较

1. 同步 FIFO： 同步 FIFO 在读取和写入时都使用相同的时钟信号，数据传输是在同一时钟域下进行的。读取和写入操作在时钟的上升沿或下降沿进行，具有明确定义的时序关系。同步 FIFO 的特点包括：

• 时序简单：由于读写操作在同一个时钟信号下进行，不涉及时序转换，因此设计相对较简单。
• 数据稳定性：由于时钟同步，对于数据的读取和写入，保证了数据的稳定性和可靠性。
• 可靠性高：同步 FIFO 较为可靠，能够通过时钟握手机制来实现有效的数据传输。

1. 异步 FIFO： 异步 FIFO 在读取和写入时使用不同的时钟信号，数据传输是跨越不同时钟域的。由于存在时钟领域之间的不同步，需要引入额外的电路来处理时钟缓冲和数据同步等问题。异步 FIFO 的特点包括：

• 处理异步时序：由于读写操作在不同的时钟域下进行，需要处理异步时序问题，确保数据的正确传输。这通常需要使用双缓冲技术、同步器等方法来实现。
• 时序复杂：异步 FIFO 的设计更为复杂，需要考虑数据传输的稳定性、时序约束和互锁等问题。对于异步 FIFO 的设计，需要仔细分析时序关系，并采取相应的措施确保正确性。
• 适应异步系统：异步 FIFO 在跨越不同时钟域的系统中发挥重要作用，可以解决异步数据交换的问题，使得不同部分之间能够以不同的速率进行数据传输。

在选择同步 FIFO 还是异步 FIFO 时，需要根据具体的设计需求和系统要求进行权衡。如果时钟同步性较好且时序要求较低，同步 FIFO 可能是一个更简单和可靠的选择。而在异步时序较为复杂的情况下，异步 FIFO 可以提供解决方案

2、同步fifo ip核配置

2.1、quartus配置fifo(同步)

在quartus右上角搜索fifo，选择文件夹创建ip核

进入fifo后，下图是一些选项的简单介绍，我选择的是同步fifo，数据传输位宽位8bit,总长度位32bit

进入到下面，会让你根据需求创建信号，这些信号的意思分别为

• full：fifo内部存储几乎要满时
• empty:fifo内存存储几乎要空时
• usedw:fifo内部已经使用的字节大小
• almost full:fifo内部存储几乎要满时
• almost empty:fifo内部存储几乎要空时
• Asynchronous clear：异步清零
• Synchronous clear：同步清零

我这里只做简单的，所以只勾选了前三个信号，后面的信号可以根据自己的需求进行勾选

下面勾选工作模式，一般选择正常工作模式即可。后面选择内存的类型，勾选自动即可，如果你想深入了解工作模式的区别，请参考：

详解 altera 的同步 FIFO IP配置及使用 - 知乎 (zhihu.com)

之后选择优化选项，勾画no即可，详情可参考：详解 altera 的同步 FIFO IP配置及使用 - 知乎 (zhihu.com)

最后生成inst文件，就完成了

2.2、同步fifo仿真代码

只写了一段特别简单的仿真进行模拟，如果需要严谨点的话可以写的更复杂

由于我这里勾选的内存字节大小为32，数据位是8位，所以延时4个周期，不断更换rdreq、wrreq信号，达到模拟的效果

`timescale 1 ns/ 1 ns
module fifo_vlg_tst();
// constants                                           
// general purpose registers
reg eachvec;
// test vector input registers
reg clock;
reg [7:0] data;
reg rdreq;
reg wrreq;
// wires                                               
wire empty;
wire full;
wire [7:0]  q;
wire [4:0]  usedw;

parameter SYS_CLK = 20;
always #(SYS_CLK/2) clock = ~clock;
initial begin
	clock = 1'b0;
	wrreq = 1'b1;
	rdreq = 1'b0;
	repeat(4)begin
		repeat(4)begin
		data = {$random}%64;
		#(SYS_CLK*8);
		end
		wrreq = 1'b0;
		rdreq = 1'b1;
		repeat(4)begin
			#(SYS_CLK*8);
		end
		wrreq = 1'b1;
		rdreq = 1'b0;
	end
	$stop;
end

// assign statements (if any)                          
fifo i1 (
// port map - connection between master ports and signals/registers   
	.clock(clock),
	.data(data),
	.empty(empty),
	.full(full),
	.q(q),
	.rdreq(rdreq),
	.usedw(usedw),
	.wrreq(wrreq)
);
initial                                                
begin                                                  
// code that executes only once                        
// insert code here --> begin                          
                                                       
// --> end                                             
$display("Running testbench");                       
end                                                    
always                                                 
// optional sensitivity list                           
// @(event1 or event2 or .... eventn)                  
begin                                                  
// code executes for every event on sensitivity list   
// insert code here --> begin                          
                                                       
@eachvec;                                              
// --> end                                             
end                                                    
endmodule

2.3、同步fifo仿真结果

3、异步fifo ip核配置

3.1异步fifo 配置

异步fifo几乎与同步fifo相同，主要是勾选的方式不同

这里勾选默认即可

选择勾选的信号，与同步fifo信号基本类似，我这里多勾选了几个，方便观察

其他步骤全部默认，生成文件即可

3.2异步fifo仿真代码

`timescale 1 ps/ 1 ps
module afifo_vlg_tst();
// constants                                           
// general purpose registers
// test vector input registers
parameter SYS_CLK_READ = 20;
parameter SYS_CLK_WRITE = 10;

reg [7:0] data;
reg rdclk;
reg rdreq;
reg wrclk;
reg wrreq;
// wires                                               
wire [7:0]  q;
wire rdempty;
wire rdfull;
wire [4:0]  rdusedw;
wire wrempty;
wire wrfull;
wire [4:0]  wrusedw;

always #(SYS_CLK_READ/2) rdclk= ~rdclk;
always #(SYS_CLK_WRITE/2) wrclk = ~wrclk;

initial begin
	rdclk = 1'b0;
	wrclk = 1'b0;
	repeat(10)begin
		wrreq = 1'b1;
		rdreq = 1'b0;
		data = {$random}%64;
		#(SYS_CLK_WRITE*4);
		wrreq = 1'b0;
		rdreq = 1'b1;
		#(SYS_CLK_READ*4);
	end
end
// assign statements (if any)                          
afifo i1 (
// port map - connection between master ports and signals/registers   
	.data(data),
	.q(q),
	.rdclk(rdclk),
	.rdempty(rdempty),
	.rdfull(rdfull),
	.rdreq(rdreq),
	.rdusedw(rdusedw),
	.wrclk(wrclk),
	.wrempty(wrempty),
	.wrfull(wrfull),
	.wrreq(wrreq),
	.wrusedw(wrusedw)
);
endmodule

3.3仿真结果

4、总结

由于自身水平原因，不能对fifo做一个更为详细的介绍，只作为自己的一个学习记录，如果有需要，可以参考下面链接去进行学习

FPGA（异步FIFO原理及Verilog代码实现）_哔哩哔哩_bilibili

07_FIFO IP核的使用讲解_哔哩哔哩_bilibili

先入先出——FIFO的Verilog实现与仿真（一） - 知乎 (zhihu.com)