【数字IC设计/FPGA】FIFO与流控机制

流控，简单来说就是控制数据流停止发送。常见的流控机制分为带内流控和带外流控。

FIFO的流水反压机制

一般来说，每一个fifo都有一个将满阈值afull_value（almost full）。当fifo内的数据量达到或超过afull_value时，将满信号afull从0跳变为1。上游发送模块感知到afull为1时，则停止发送数据。在afull跳变成1后，fifo需要能够缓存路径上的data以及上游发送模块停止发流之前发出的所有data。这就是fifo的流控机制。下图是fifo流控机制的示意图。

如下图所示，数据data和有效信号vld从模块A产生，经过N拍延时后，输入到FIFO，FIFO产生将满信号afull，经过M拍延时反馈到模块A。假设模块A接收到afull=1时，立即停止发送数据。假设FIFO深度为fifo_depth，每拍为一个时钟周期。

则，我们考虑以下问题：

1. 为了保证FIFO不发生溢出，将满阈值afull_value至少应该设置成多少？
2. 为了充分发挥FIFO的性能，FIFO深度depth应该为多少？

首先考虑第一个问题，即FIFO将满阈值如何设置：
当FIFO中的数据为afull_value时，产生afull=1，afull=1经过M拍到达模块A，此时FIFO中至多可以有（afull_value+M）个数据。afull=1到达模块A时，模块A立即停止发送数据，此时电路中还存在N拍数据将陆续送到FIFO中，所以最后FIFO中应该为（afull_value+M+N）个数据。
为了保证数据不会溢出，应满足公式fifo_depth >= afull_value+M+N，因此，将满阈值应该至多为depth_fifo - (M+N)。
为了验证上述结论，我们编写了如下代码进行实验：
delayed.sv

module delayed
#(
    parameter N  = 5,
    parameter DW = 1
 )
 (
    input  logic          clk,
    input  logic          rst_n,
    input  logic [DW-1:0] din,
    output logic [DW-1:0] dout
 );

logic [N*DW-1:0] data_reg;

always_ff@(posedge clk or negedge rst_n) begin
   if(~rst_n) begin
       data_reg <= (N*DW)'(0);
   end
   else begin
       data_reg <= {data_reg[N*DW-DW-1:0], din};
   end
end

assign dout = data_reg[N*DW-1:N*DW-DW];

endmodule

top.sv

module top
#(parameter DATA_WIDTH  = 32,
  parameter DEPTH       = 32,
  parameter M           = 5,
  parameter N           = 10,
  parameter AF_VALUE    = (M+N-1)
 )
(
input  logic                  clk,
input  logic                  rst_n,
input  logic                  wr_en,
input  logic [DATA_WIDTH-1:0] wr_data,
output logic                  afull,
output logic [DATA_WIDTH-1:0] rd_data,
output logic                  empty,
input  logic                  rd_en
);

logic                  wr_en_dly;
logic [DATA_WIDTH-1:0] wr_data_dly;
logic                  almost_full;
logic                  error;
logic                  full;
//
delayed
# 
(.N (N ),
 .DW(1 )
)
wr_en_delay_inst
(
   .clk  (clk      ),
   .rst_n(rst_n    ),
   .din  (wr_en    ),
   .dout (wr_en_dly)
);
//
delayed
#
(.N  (N         ),
 .DW (DATA_WIDTH)
)
wr_data_delay_inst
(
   .clk   (clk        ),
   .rst_n (rst_n      ),
   .din   (wr_data    ),
   .dout  (wr_data_dly)
);
//
delayed
#
(.N (M),
 .DW(1)
)
almost_full_delay_inst
(
   .clk  (clk        ),
   .rst_n(rst_n      ),
   .din  (almost_full),
   .dout (afull      )
);
//
DW_fifo_s1_sf 
#
(.width   (DATA_WIDTH ),  
 .depth   (DEPTH      ),  
 .ae_level(1          ),  
 .af_level(AF_VALUE   ),  
 .err_mode(1          ),  
 .rst_mode(0          )
)
 U  (.clk          (clk              ),   
     .rst_n        (rst_n            ),   
     .push_req_n   (~wr_en_dly       ),
     .pop_req_n    (~rd_en           ),   
     .diag_n       (1                ),
     .data_in      (wr_data_dly      ),   
     .empty        (empty            ),
     .almost_empty (                 ),   
     .half_full    (                 ),
     .almost_full  (almost_full      ),   
     .full         (full             ),
     .error        (error            ),   
     .data_out     (rd_data          ) 
    );


endmodule

tb.sv

module tb;
parameter DATA_WIDTH = 32;
parameter DEPTH      = 32;
parameter M          = 5;
parameter N          = 10;
parameter AF_VALUE   = M + N;

logic rst_n;
logic clk;
logic rd_en;
logic rd_en_r;
logic wr_en;
logic wr_en_r;
logic empty;
logic afull;
logic [DATA_WIDTH-1:0] wr_data;
logic [DATA_WIDTH-1:0] rd_data;
logic [DATA_WIDTH-1:0] ref_data;
logic error;

assign error = (rd_en && ~empty && (ref_data != rd_data)) ? 1'b1 : 1'b0;

always_ff@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(~rst_n) begin
    ref_data <= '0;
  end
  else if(rd_en && ~empty) begin
    ref_data <= ref_data + 1'b1;
  end
end

//rd_en
always_ff@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(~rst_n) begin
    rd_en_r <= 1'b0;
  end
  else if($urandom % 100 < 1) begin
    rd_en_r <= 1'b1;
  end
  else begin
    rd_en_r <= 1'b0;
  end
end

assign rd_en = rd_en_r && ~empty;
//wr_data
always_ff@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(~rst_n) begin
    wr_data <= '0;
  end
  else if(wr_en && ~afull) begin
    wr_data <= wr_data + 1'b1;
  end
end

//wr_en
always_ff@(posedge clk or negedge rst_n) begin
  if(~rst_n) begin
    wr_en_r <= 1'b0;
  end
  else if($urandom % 100 < 100) begin
    wr_en_r <= 1'b1;
  end
  else begin
    wr_en_r <= 1'b0;
  end
end

assign wr_en = wr_en_r && ~afull;

//clk
initial
begin
   clk = 1'b0;
   forever begin
      #5 clk = ~clk;
   end
end

//rst
initial
begin
   rst_n = 1'b0;
   #100
   rst_n = 1'b1;
end

//
initial
begin
   #20000
   $finish;
end

//
initial begin
 $fsdbDumpfile("./top.fsdb");
 $fsdbDumpvars(0);
end

//inst
top 
#(.DATA_WIDTH(DATA_WIDTH),
  .DEPTH     (DEPTH     ),
  .M         (M         ),
  .N         (N         ),
  .AF_VALUE  (AF_VALUE  )
 )
U(.*);

endmodule

以及makefile脚本：

all: listfile com sim verdi clean

listfile:
	find -name "*.sv" > filelist.f

com:
	vcs -full64 -cpp g++-4.8 -cc gcc-4.8 -LDFLAGS -Wl,--no-as-needed -sverilog -debug_access -timescale=1ns/10ps \
	-f filelist.f -l com.log -kdb -lca -y ${SYNOPSYS}/dw/sim_ver +libext+.v +incdir+${SYNOPSYS}/dw/sim_ver+

sim:
	./simv -l sim.log


verdi:
	verdi -sv -f filelist.f -ssf *.fsdb -nologo &

clean:
	rm -rf csrc *.log *.key *simv* *.vpd *DVE*
	rm -rf verdiLog *.fsdb *.bak *.conf *.rc *.f

当设置fifo的将满阈值为M+N时，fifo不会丢失数据，流控正确。（注：dw fifo中的将满阈值afull的定义为：当fifo中还有小于等于afull个空位置时，拉高afull信号）

当设置fifo的将满阈值为M+N-1时，fifo会丢失数据，流控出错。如下图所示：

现在考虑第二个问题，即FIFO深度depth应该为多少？
分析：若fifo_depth过小，afull有效之后，fifo中存储的数据将很快被下游读取，而新的数据又无法及时到达FIFO，因此会造成流水气泡，影响电路的性能。
假设M=5, N=10，且fifo_depth=20，则afull_value=5。在T时刻，fifo中存了5个数据后afull=1会变为有效，在之后的15个周期内会陆续存入15个数据。假设下游模块B每个周期读取FIFO中的一个数据，因为当FIFO内的数据data_cnt小于5时，afull才会无效（为0），因此在T+15和T+30的时刻内，下游电路B只能读5个数据，从而造成数据断流，影响电路性能。
为了保证电路性能，在T+15到T+30这个时间段内应该有15个数据可读，因此afull_value应该不小于15（=M+N）。故FIFO深度应该不小于2*(M+N)。