FPGA零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)之Vivado-FIFO使用教程

作者：李西銳??校對(duì)：陸輝

大俠好，歡迎來(lái)到FPGA技術(shù)江湖。本系列將帶來(lái)FPGA的系統(tǒng)性學(xué)習(xí)，從最基本的數(shù)字電路基礎(chǔ)開(kāi)始，最詳細(xì)操作步驟，最直白的言語(yǔ)描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業(yè)學(xué)生、初入職場(chǎng)小白及打算進(jìn)階提升的職業(yè)開(kāi)發(fā)者都可以有系統(tǒng)性學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

系統(tǒng)性的掌握技術(shù)開(kāi)發(fā)以及相關(guān)要求，對(duì)個(gè)人就業(yè)以及職業(yè)發(fā)展都有著潛在的幫助，希望對(duì)大家有所幫助。本次帶來(lái)Vivado系列，F(xiàn)IFO使用教程。話不多說(shuō)，上貨。

FIFO使用教程

FIFO的英文全稱叫做First in First out，即先進(jìn)先出。這也就決定了這個(gè)IP核的特殊性，先寫(xiě)進(jìn)去的數(shù)據(jù)優(yōu)先被讀出，所以，F(xiàn)IFO是不需要地址信號(hào)線的，這也是它的一大特點(diǎn)，通常用來(lái)做數(shù)據(jù)的緩存，或者用來(lái)解決高速異步數(shù)據(jù)的交互，即解決了跨時(shí)鐘域的問(wèn)題。此外，F(xiàn)IFO還有一個(gè)特點(diǎn)，就是數(shù)據(jù)被讀出之后就不存在了，不像RAM和ROM一樣，數(shù)據(jù)被讀出后還存在。所以我們?nèi)绻脒M(jìn)行多次的讀，那么就需要進(jìn)行同樣次數(shù)的寫(xiě)。

FIFO分為同步時(shí)鐘和異步時(shí)鐘，同步FIFO指的是讀寫(xiě)使用同一個(gè)時(shí)鐘，在時(shí)鐘沿信號(hào)來(lái)的時(shí)候進(jìn)行讀寫(xiě)。異步FIFO是指讀寫(xiě)在不同時(shí)鐘下進(jìn)行，這樣我們可以實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)不同速度。

那么接下來(lái)，我們就來(lái)實(shí)現(xiàn)一下異步FIFO的讀寫(xiě)過(guò)程。

上圖為選擇異步FIFO之后的圖示，在這個(gè)圖示中，我們給大家解釋一下每個(gè)信號(hào)的含義。

FIFO_WRITE：

full：FIFO的滿信號(hào)，當(dāng)FIFO的存儲(chǔ)空間寫(xiě)滿了之后，此信號(hào)拉高，否則為低。此信號(hào)為FIFO的輸出信號(hào)。

din[7:0]:FIFO的數(shù)據(jù)輸入，寫(xiě)進(jìn)FIFO的數(shù)據(jù)通過(guò)此信號(hào)線進(jìn)入FIFO。

wr_en：FIFO的寫(xiě)使能，當(dāng)我們要往FIFO里面寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，拉高此信號(hào)。此信號(hào)為FIFO的輸入。

FIFO_READ：

empty：FIFO的空信號(hào)，當(dāng)FIFO的存儲(chǔ)空間空了之后，此信號(hào)拉高，否則為低。此信號(hào)為FIFO的輸出信號(hào)。

dout：FIFO的數(shù)據(jù)輸出，讀出FIFO的數(shù)據(jù)通過(guò)此信號(hào)線輸出

rd_en：FIFO的讀使能，當(dāng)我們要從FIFO里面讀出數(shù)據(jù)時(shí)，拉高此信號(hào)。此信號(hào)為FIFO的輸出。

rst:FIFO復(fù)位，默認(rèn)高電平有效。

wr_clk：寫(xiě)時(shí)鐘

rd_clk: 讀時(shí)鐘

wr_rst_busy:寫(xiě)復(fù)位忙信號(hào)

rd_rst_busy:讀復(fù)位忙信號(hào)

在了解了FIFO的端口之后，我們來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。比如，我們以10MHz的速度往FIFO里面寫(xiě)數(shù)據(jù)，寫(xiě)滿之后，在20MHz的時(shí)鐘下將數(shù)據(jù)讀出，一直讀空。當(dāng)然，在顯示應(yīng)用中，F(xiàn)IFO的讀寫(xiě)是可以同步進(jìn)行的。

首先，我們先來(lái)新建工程。

新建好之后，我們先調(diào)用一下IP核：

在IP核管理器界面，搜索FIFO，然后選中圖示所選項(xiàng)雙擊打開(kāi)。

在FIFO類型選項(xiàng)，我們選擇異步FIFO。剛打開(kāi)默認(rèn)的選項(xiàng)為同步FIFO。

在數(shù)據(jù)端口配置界面，我們將數(shù)據(jù)位寬改為8bit，深度使用1024。

復(fù)位端口在這就不再使用了，所以勾選位置取消掉。

在此界面出現(xiàn)了almost full flag和almost empty flag。這兩個(gè)信號(hào)是幾乎滿或空的標(biāo)志信號(hào)，在此實(shí)驗(yàn)中，我們不使用。

Data?count是FIFO數(shù)據(jù)用量計(jì)數(shù)器，代表了此時(shí)FIFO的內(nèi)部存儲(chǔ)被使用的情況。假設(shè)我們寫(xiě)進(jìn)去了10個(gè)數(shù)，那么兩個(gè)計(jì)數(shù)器都為10。

此界面為IP核的信息，在此界面可以看出，我們的讀寫(xiě)深度發(fā)生了變化，我們?cè)谇懊嬖O(shè)置的深度為1024，但是在此處顯示的卻是1023。原因是因?yàn)镕IFO結(jié)構(gòu)的特殊性，并不是我們?cè)O(shè)置的有問(wèn)題。所以，在我們這個(gè)異步FIFO中，深度為1023。

點(diǎn)擊OK直接生成。在點(diǎn)擊Generate。

此外，我們還需要兩個(gè)不同時(shí)鐘，在這里我們使用鎖相環(huán)生成。

在管理界面搜索clock。配置過(guò)程我們?cè)诖饲耙呀?jīng)講過(guò)，就不在過(guò)多敘述。

接下來(lái)我們寫(xiě)一下fifo的寫(xiě)控制器，代碼如下:

1   module fifo_wr(2     3     input   wire             clk,4     input   wire             rst_n,5     input   wire             empty,6     input   wire             full,7     output   reg             fifo_wr_en,8     output   reg     [7:0]      fifo_data_in9   );1011    reg         state;12    13    always @ (posedge clk, negedge rst_n)14    begin15      if(rst_n == 1'b0)16        begin17          fifo_wr_en <= 1'b0;18          fifo_data_in <= 8'd0;19          state <= 1'b0;20        end21      else22        case(state)23          1'b0  :  begin24                  if(empty)25                    state <= 1'b1;26                  else27                    state <= 1'b0;28                end29          1'b1  :  begin30                  if(full)31                    begin32                      fifo_wr_en <= 1'b0;33                      fifo_data_in <= 8'd0;34                      state <= 1'b0;35                    end36                  else37                    begin38                      fifo_wr_en <= 1'b1;39                      fifo_data_in <= fifo_data_in + 1'b1;40                      state <= 1'b1;41                    end42                end43        endcase44    end4546  endmodule

因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)是讀空了才寫(xiě)，所以我們用狀態(tài)機(jī)來(lái)做，先判斷FIFO是否為空。讀控制器代碼如下：

1   module fifo_rd(2     3     input   wire               clk,4     input   wire               rst_n,5     input   wire               empty,6     input   wire               full,7     output   reg               fifo_rd_en8   );9 10    reg         state;11    12    always @ (posedge clk, negedge rst_n)13    begin14      if(rst_n == 1'b0)15        begin16          fifo_rd_en <= 1'b0;17          state <= 1'b0;18        end19      else20        case(state)21          1'b0  :  begin22                  if(full)23                    state <= 1'b1;24                  else25                    state <= 1'b0;26                end27          1'b1  :  begin28                  if(empty)29                    begin30                      fifo_rd_en <= 1'b0;31                      state <= 1'b0;32                    end33                  else34                    begin35                      fifo_rd_en <= 1'b1;36                      state <= 1'b1;37                    end38                end39        endcase40    end4142  endmodule

頂層代碼如下：

1   module fifo(2     3     input   wire               clk,4     input   wire               rst_n,5     output   wire       [7:0]      q6   );7     8     wire           fifo_wr_clk;9     wire           fifo_rd_clk;10    wire           locked;11    wire           empty;12    wire           full;13    wire           fifo_wr_en;14    wire     [7:0]    fifo_data_in;15    wire           fifo_rd_en;16    17    clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst18     (19    // Clock out ports20    .clk_out1(fifo_wr_clk),     // output clk_out121    .clk_out2(fifo_rd_clk),     // output clk_out222    // Status and control signals23    .reset(~rst_n), // input reset24    .locked(locked),       // output locked25     // Clock in ports26    .clk_in1(clk));      // input clk_in127    28    fifo_wr fifo_wr_inst(29    30    .clk            (fifo_wr_clk),31    .rst_n            (locked  ),32    .empty            (empty    ),33    .full            (full    ),34    .fifo_wr_en          (fifo_wr_en  ),35    .fifo_data_in        (fifo_data_in)36  );3738    fifo_generator_0 fifo_generator_0_inst (39      .wr_clk(fifo_wr_clk),  // input wire wr_clk40      .rd_clk(fifo_rd_clk),  // input wire rd_clk41      .din(fifo_data_in),        // input wire [7 : 0] din42      .wr_en(fifo_wr_en),    // input wire wr_en43      .rd_en(fifo_rd_en),    // input wire rd_en44      .dout(q),      // output wire [7 : 0] dout45      .full(full),      // output wire full46      .empty(empty)    // output wire empty47    );4849    fifo_rd fifo_rd_inst(50    51    .clk        (fifo_rd_clk),52    .rst_n        (locked    ),53    .empty        (empty    ),54    .full        (full    ),55    .fifo_rd_en      (fifo_rd_en)56  );57    58  endmodule

代碼寫(xiě)完之后，我們寫(xiě)個(gè)仿真驗(yàn)證一下波形，代碼如下：

1   `timescale 1ns / 1ps2 3   module fifo_tb;4 5     reg                clk;6     reg                rst_n;7     wire       [7:0]      q;8     9     initial begin10      clk = 0;11      rst_n = 0;12      #105;13      rst_n = 1;14      #10000;15      $stop;16    end17    18    always #10 clk = ~clk;19    20    fifo fifo_inst(21    22    .clk      (clk),23    .rst_n      (rst_n),24    .q        (q)25  );2627  endmodule

打開(kāi)波形之后，我們將讀寫(xiě)控制模塊的信號(hào)全部添加到波形窗口：

添加好之后，點(diǎn)擊restart和run-all

由于波形默認(rèn)運(yùn)行10us，我們觀察不到全部波形，所以，在此我們繼續(xù)點(diǎn)擊run-all，然后點(diǎn)擊break，讓仿真停止。

然后，我們觀察波形：

在波形里面可以清楚的看到我們的fifo_data_in和q的波形，一長(zhǎng)一短。這是因?yàn)樽x的速度快，所以波形維持的時(shí)間短。寫(xiě)數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度是讀數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度的兩倍。

然后放大波形觀察其他信號(hào)：

在黃色光標(biāo)位置，可以看到滿信號(hào)拉高了，然后寫(xiě)使能就拉低了，狀態(tài)開(kāi)始進(jìn)入到讀。在讀使能拉高之后，輸出q就有了數(shù)據(jù)，但是我們的empty信號(hào)維持了一段時(shí)間才拉低，這是因?yàn)閒ifo的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的，在此我們就不再過(guò)多討論。

結(jié)論：異步FIFO控制正確，仿真波形輸入和輸出信號(hào)正常。