本文转载自：OpenFPGA微信公众号
FIFO 是FPGA设计中最有用的模块之一。FIFO 在模块之间提供简单的握手和同步机制，是设计人员将数据从一个模块传输到另一个模块的常用选择。
在这篇文章中，展示了一个简单的 RTL 同步 FIFO，可以直接在自己的设计中配置和使用它，该设计是完全可综合的。
为什么要自己设计FIFO
那么，为什么呢？网上有很多关于 FIFO 的 Verilog/VHDL 代码的资源，过去，我自己也使用过其中的一些。但令人沮丧的是，它们中的大多数都存在问题，尤其是在上溢出和下溢出条件下。所以想一劳永逸地解决这些问题。
/*===============================================================================================================================
Design : Single-clock Synchronous FIFO
Description : Fully synthesisable, configurable Single-clock Synchronous FIFO based on registers.
- Configurable Data width.
- Configurable Depth.
- Configurable Almost-full and Almost-empty signals.
===============================================================================================================================*/
module my_fifo #(
parameter DATA_W = 4 , // Data width
parameter DEPTH = 8 , // Depth of FIFO
parameter UPP_TH = 4 , // Upper threshold to generate Almost-full
parameter LOW_TH = 2 // Lower threshold to generate Almost-empty
)
(
input clk , // Clock
input rstn , // Active-low Synchronous Reset
input i_wren , // Write Enable
input [DATA_W - 1 : 0] i_wrdata , // Write-data
output o_alm_full , // Almost-full signal
output o_full , // Full signal
input i_rden , // Read Enable
output [DATA_W - 1 : 0] o_rddata , // Read-data
output o_alm_empty , // Almost-empty signal
output o_empty // Empty signal
);
/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Internal Registers/Signals
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
logic [DATA_W - 1 : 0] data_rg [DEPTH] ; // Data array
logic [$clog2(DEPTH) - 1 : 0] wrptr_rg ; // Write pointer
logic [$clog2(DEPTH) - 1 : 0] rdptr_rg ; // Read pointer
logic [$clog2(DEPTH) : 0] dcount_rg ; // Data counter
logic wren_s ; // Write Enable signal generated iff FIFO is not full
logic rden_s ; // Read Enable signal generated iff FIFO is not empty
logic full_s ; // Full signal
logic empty_s ; // Empty signal
/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Synchronous logic to write to and read from FIFO
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
always @ (posedge clk) begin
if (!rstn) begin
data_rg <= '{default: '0} ;
wrptr_rg <= 0 ;
rdptr_rg <= 0 ;
dcount_rg <= 0 ;
end
else begin
ready_rg <= 1'b1 ;
/* FIFO write logic */
if (wren_s) begin
data_rg [wrptr_rg] <= i_wrdata ; // Data written to FIFO
if (wrptr_rg == DEPTH - 1) begin
wrptr_rg <= 0 ; // Reset write pointer
end
else begin
wrptr_rg <= wrptr_rg + 1 ; // Increment write pointer
end
end
/* FIFO read logic */
if (rden_s) begin
if (rdptr_rg == DEPTH - 1) begin
rdptr_rg <= 0 ; // Reset read pointer
end
else begin
rdptr_rg <= rdptr_rg + 1 ; // Increment read pointer
end
end
/* FIFO data counter update logic */
if (wren_s && !rden_s) begin // Write operation
dcount_rg <= dcount_rg + 1 ;
end
else if (!wren_s && rden_s) begin // Read operation
dcount_rg <= dcount_rg - 1 ;
end
end
end
/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Continuous Assignments
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
// Full and Empty internal
assign full_s = (dcount_rg == DEPTH) ? 1'b1 : 0 ;
assign empty_s = (dcount_rg == 0 ) ? 1'b1 : 0 ;
// Write and Read Enables internal
assign wren_s = i_wren & !full_s ;
assign rden_s = i_rden & !empty_s ;
// Full and Empty to output
assign o_full = full_s ;
assign o_empty = empty_s ;
// Almost-full and Almost Empty to output
assign o_alm_full = (dcount_rg > UPP_TH) ? 1'b1 : 0 ;
assign o_alm_empty = (dcount_rg < LOW_TH) ? 1'b1 : 0 ;
// Read-data to output
assign o_rddata = data_rg [rdptr_rg] ;
endmodule
/*=============================================================================================================================*/
基于 RAM 的 FIFO
在上面的步骤中，我们看到了一个基于寄存器的同步FIFO。接下来，我们来看看基于 RAM 的 FIFO。该 FIFO 在 RAM 而不是寄存器上实现其数据阵列。这适用于在硬件上实现大型 FIFO ；特别是在 FPGA 上，FPGA 里有大量的Block RAM 可用。这将降低资源利用率，也可以获得更好的时序性能。
