任意深度同步FIFO设计总结（非2次幂）

同步FIFO属于是最基本的模块之一了，但是对于任意深度（非2次幂与2次幂均可以）的同步FIFO可能有些难度，但是只要了解格雷码的性质就能解决。接下来将介绍整个设计的思考流程，不单单是给出解决方法。

对于任意深度的同步FIFO而已，最重要的一点就是计数，计算读写指针的计数，循环，匹配问题。因为要实现的是任意深度的设计，对于读写指针而言，利用格雷码的轴对称特性可以完成计数，类似于异步FIFO。

因为类似于异步FIFO，首先介绍在异步FIFO中指针是如何工作的。写指针指向需要写入的下一个地址，因此，当复位时，两个指针都指向0。在FIFO的写操作中，指针指向的地址被写入数据，然后指针会加一，指向下一个要写入的地址。
同样，读地址也指向下一个要读的地址。在复位时，两个指针都为0，FIFO此时为空，读指针指向一个无效数据（因为FIFO为空并且空标志位拉高）。一旦第一个数据写入FIFO，写指针增加，空标志位拉低，读指针依然在地址首位，并且立刻将第一个数据输出。将读指针指向下一个地址好处是不用两个周期来读出数据。如果接收者需要先将FIFO读指针拉高，然后再读出数据，就会浪费一个周期。
无论地址为空还是满，读指针和写指针都相同，那么如何区分呢？解决方法是加入额外1bit数据，当读指针或写指针到达FIFO最大值时，最高位bit翻转，当（n-1）bit相同，同时第一位相同时，FIFO为空；当（n-1）bit相同，同时第一位不同时，FIFO为满。
以上就是异步FIFO的指针工作情况。
接下来将介绍任意深度FIFO指针的设计思路。首先利用格雷码的对称性，希望达到的效果是深度为n，指针需要2n，以完成翻转的效果。因此，以深度为6的FIFO为例，可以实现对称性的情况为序列2-7，8-13，可以实现对称。以深度为5的FIFO为例，可以实现对称性的情况为序列3-7，8-12。我们需要设置初始地址和结束地址以实现翻转。

//设置起始、结束位置代码
parameter DEPTH = 6;
parameter ADDR = 3; //$clog2(6）= 3
reg [ADDR:0] start_count,end_count;//设置初始、结束指针地址
//对于任意深度都可以通过下面的代码设置初始值，通过改变
//DEPTH和ADDR控制
always@(posedge clk or rst_n)begin
	if(!rst_n)begin
			start_count <= {1'b1,{ADDR{1'B0}}} - DEPTH;//深度6：8-6=2//深度5：8-5=3
			end_count <= {1‘b0,{ADDR{1'B1}}	+ DEPTH;//深度6：7+6=13//深度5：7+5=12																																																																		
	end
	else begin
			start_count <= start_count；
			end_count <=end_count；
	end
end

设置好起始、结束指针后，接下来就需要考虑的是指针变化的情况了，与2次幂的FIFO不同的是需要加入起始、结束指针

input winc,rinc;//读写使能信号
reg [ADDR:0]    write_ptr;
reg [ADDR:0]    read_ptr;

// 设计读写指针跳转
//generate write pointer
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)begin
        write_ptr <= start_count;    
    end
    else if(winc && !wfull)begin
    	if(write_ptr == end_count)//到了结束指针，跳回起始指针
    		write_ptr <= start_count；
    	else 
        write_ptr <= write_ptr + 1;//不然正常计数
    end
    else 
    	 write_ptr <= write_ptr；//FIFO满或者没有读信号保持不变
end 
 
//generate read pointer
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        read_ptr <= start_count;
    else if(rinc && !rempty)begin
    	if(write_ptr == end_count)//到了结束指针，跳回起始指针
    		read_ptr <= start_count；
    	else 
        	read_ptr <= read_ptr + 1;
    end
    else 
    	read_ptr <= read_ptr；//FIFO满或者没有读信号保持不变
 end

这一部分和普通情况只添加了到结束地址跳回初始地址的操作。

最后就是控制格雷码的操作了，通过对指针跳转的观察情况，做了以下的分析。首先，因为是非2次幂的数据，设置了起始和终止位置，所以他返回一次的位置并不是正常的和2次幂深度一样的，依旧拿深度6举例，当完成一个循环时，它是从13跳回2的序列的，所以它并不能完全套用异步FIFO的二进制码转换格雷码的情况。首先需要先让二进制码变成正确的情况再进行转换.

//在这里还是利用了格雷码的对称性，因为从最高位1，跳回最高位0的情况，会改变DEPTH个数。而从最高位0，跳到最高位1的情况，则不会数据的改变。因此对所有最高位为0的情况，减去DEPTH。
wire [ADDR:0]    real_write_ptr,real_read_ptr;//先改变二进制码
wire [ADDR:0]    gray_wr_ptr，gray_rd_ptr;//二进制转格雷码
wire full_o,emtpy ;
//改变二进制码
assign real_write_ptr = write_ptr[ADDR]?write_ptr:(write_ptr -start_count);
assign real_read_ptr = read_ptr[ADDR]?read_ptr:(read_ptr -start_count);

//二进制转格雷码
assign gray_rd_ptr = real_read_ptr ^ (real_read_ptr >> 1'b1);
assign gray_wr_ptr = real_write_ptr ^ (real_write_ptr >> 1'b1);

//格雷码的比较,满信号为读写指针最高位和次高位不同，其余位相同，空信号为读写指针相同
assign full_o  = (gray_wr_ptr == {~gray_rd_ptr[ADDR:ADDR-1],gray_rd_ptr[PTR_WIDTH-2:0]})? 1'b1 : 1'b0;
assign empty_o = (gray_rd_ptr == gray_wr_ptr)? 1'b1 : 1'b0;

//读写数据
parameter WIDTH = 8;//数据位宽
reg [WIDTH-1:0] ram_mem [0:DEPTH-1];
always_ff@(posedge wclk)begin
    if(wenc)
        ram_mem[real_write_ptr[ADDR-1:0]] <= wdata;
end
 
always_ff@(posedge rclk)begin
    if(renc)
        rdata <= ram_mem[real_read_ptr[ADDR-1:0]];
end

以上就是非2次幂同步FIFO（2次幂同样适用）的设计思路。
使用UVM构建验证平台,放在接下来对UVM进行总结时作为例子使用，这里不进行赘述。