FIFO | 易学教程

FIFO是一种先入先出的数据缓存器，他与普通存储器的区别是没有外部读写地址线，这样使用起来非常方便，但缺点是只能顺序的写入数据、读出数据，其内部地址是由内部读写指针自动加1完成，不能像普通存储器那样由地址线读取或者写入某个地址。

FIFO一般用于不同时钟域之间的数据传输，比如FIFO的一端是AD数据采集，另一端是计算机的PCI总线，假设AD采集的速率是16位100K sps，那么每秒的数据量为100K x 16bit=1.6Mbps，而PCI总线的速度为33MHZ，总线宽度是32bit，其最大传输速率为1056Mbps，在两个不同的时钟域间采用FIFO作为数据缓冲。另外对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，例如单片机的8位数据输出。

FIFO的分类根据FIFO工作的时钟域，分为同步FIFO和异步FIFO。同步FIFO是指读写时钟为同一时钟。在时钟沿来临时同时发生读写操作。异步FIFO是指读写时钟不一致，读写时钟相互独立。

FIFO设计的难点在于怎么判断FIFO的空满状态。为了保证数据正确的写入和读出，而不发生溢出或读空的状态出现，必须保证FIFO在满的情况下，不能进行写操作。在空的状态下不能进行读操作。

同步FIFO的实现代码：

 1 module fifo(   //信号定义---读、写、data_in,data_out,clk，复位，空，满
 2     input [7:0] datain,
 3     input rd,//读
 4     input wr,//写
 5     input rst,
 6     input clk,
 7     output [7:0] dataout,
 8     output full,
 9     output empty,
10     );
11     
12     wire [7:0] dataout;//输出信号定义为wire类型 ，输入默认为wire
13     reg full_in,empty_in;  （空满寄存器）
14     reg [7:0] mem [15:0];//RAM的深度和宽度
15     
16     reg [3:0] rp,wp; //读写指针的寄存
17     
18     //空满输出
19     assign full = full_in;
20     assign empty = empty_in;
21     
22     //read　　　　always@(posedge clk) begin　　　　　　if(rd && ~empty_in) dataout <= men[rp];　　　　　　end

23     //assign dataout = mem[rp];
24     
25     //write
26     always@(posedge clk) begin
27         if(wr && ~full_in)  mem[wp] <=datain;
28     end
29     
30     // 读指针读完自增
31     always@(posedge clk or negedge rst) begin
32         if(!rst) rp<=0;
33         else begin
34             if(rd && ~empty_in) rp<=rp+1'b1;
35         end
36     //写指针自增
37     always@(posedge clk or negedge rst) begin
38         if (!rst) wp<=0;
39         else begin    
40             if(wd && ~full_in) wp<=wp+1'b1;
41         end
42     
43     //满状态生成
44     always@(posedge clk or negedge rst) begin
45         if(~rst) full_in<=0;  //复位
46         else begin
47             if((~rd && wr)&& ((wp=rp-1)||(rp==4'0&&wp==4'hf)))  //读指针在写指针之后，且下一个来临的是一个写信号，则写满
48                 full_in<=1'b1;
49         else if (full_in && rd) full_in <=1'b0;//当满状态时来了读信号，则满状态拉低。
50         end
51     //空状态生成
52     always@(posedge clk or negedge rst)begin
53         if(~rst) empty_in<=1'b0;
54         else begin
55             if((rd && ~wr)&&(rp = wr -1 || (rp==4'hf&&wp==4'h0)))
56                 empty_in<=0;
57             else if(empty_in && wr ) empty_in<=1'b0;
58         end
59         end
60 endmodule

异步FIFO的实现：

不同点在于增加了读写控制信号的跨时钟域的同步，此外判断空满也不同。

module fifo1(rdata, wfull, rempty, wdata, winc, wclk, wrst_n,rinc, rclk, rrst_n);
parameter DSIZE = 8; parameter ASIZE = 4;
output [DSIZE-1:0] rdata;
output wfull;
output rempty;
input [DSIZE-1:0] wdata;
input winc, wclk, wrst_n;
input rinc, rclk, rrst_n

reg wfull,rempty;
reg [ASIZE:0] wptr, rptr, wq2_rptr, rq2_wptr, wq1_rptr,rq1_wptr;
reg [ASIZE:0] rbin, wbin;
reg [DSIZE-1:0] mem[0:(1<<ASIZE)-1];
wire [ASIZE-1:0] waddr, raddr;
wire [ASIZE:0] rgraynext, rbinnext,wgraynext,wbinnext;
wire rempty_val,wfull_val;
//-----------------双口RAM存储器--------------------
assign rdata=mem[raddr];
always@(posedge wclk)
if (winc && !wfull) mem[waddr] <= wdata;
//-------------同步rptr 指针-------------------------
always @(posedge wclk or negedge wrst_n)
if (!wrst_n) {wq2_rptr,wq1_rptr} <= 0;
else {wq2_rptr,wq1_rptr} <= {wq1_rptr,rptr};
//-------------同步wptr指针---------------------------
always @(posedge rclk or negedge rrst_n)
if (!rrst_n) {rq2_wptr,rq1_wptr} <= 0;
else {rq2_wptr,rq1_wptr} <= {rq1_wptr,wptr};
//-------------rempty产生与raddr产生-------------------
always @(posedge rclk or negedge rrst_n) // GRAYSTYLE2 pointer
begin
if (!rrst_n) {rbin, rptr} <= 0;
else {rbin, rptr} <= {rbinnext, rgraynext};
end
// Memory read-address pointer (okay to use binary to address memory)
assign raddr = rbin[ASIZE-1:0];
assign rbinnext = rbin + (rinc & ~rempty);//下一个地址
assign rgraynext = (rbinnext>>1) ^ rbinnext;//求格雷码
// FIFO empty when the next rptr == synchronized wptr or on reset
assign rempty_val = (rgraynext == rq2_wptr);
always @(posedge rclk or negedge rrst_n)
begin
if (!rrst_n) rempty <= 1'b1;
else rempty <= rempty_val;
end
//---------------wfull产生与waddr产生------------------------------
always @(posedge wclk or negedge wrst_n) // GRAYSTYLE2 pointer
if (!wrst_n) {wbin, wptr} <= 0;
else {wbin, wptr} <= {wbinnext, wgraynext};
// Memory write-address pointer (okay to use binary to address memory)
assign waddr = wbin[ASIZE-1:0];
assign wbinnext = wbin + (winc & ~wfull);//地址自增
assign wgraynext = (wbinnext>>1) ^ wbinnext;
assign wfull_val = (wgraynext=={~wq2_rptr[ASIZE:ASIZE-1], wq2_rptr[ASIZE-2:0]}); //:ASIZE-1]
always @(posedge wclk or negedge wrst_n)
if (!wrst_n) wfull <= 1'b0;
else wfull <= wfull_val;
endmodule

二进制计数器存在的问题：

　　异步FIFO读写指针需要在数学上的操作和比较才能产生准确的空满标志位，但由于读写指针属于不同的时钟域及读写指针以及读写时钟相位不定的原因，同一模块采集另一时钟域的指针时，此指针有可能正处在跳变过程中，那么采集到的值很可能是不期望的值。当然，不期望的错误结果也会随着产生。