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FIFO(First In First Out)是一种先进先出的存储结构，经常被用来在FPGA设计中进行数据缓存或者匹配传输速率。
本文主要介绍FIFO深度计算的方法，FIFO的一个关键参数是其深度，也就是FIFO能够存储的数据条数，FIFO深度设计的合理，可以防止数据溢出，也可以节省FPGA资源的消耗。
一、FIFO深度计算影响因素
影响FIFO深度计算的主要因素包括:
以32位位宽,8位字长的FIFO为例，每个FIFO存储单元需要32/8=4个字节。
如果FIFO总容量为128字节，那么可以存储128/4=32个数据。
此外,FIFO深度还需要考虑:
综合考虑上述各因素后确定最佳的FIFO深度。
二、FIFO深度计算步骤
FPGA FIFO深度计算的基本步骤如下：
如果写比读慢，那就不用担心数据溢出，只有读比写慢的时候，需要考虑fifo深度设计，以防止数据溢出。
三、Verilog代码示例
下面是使用Verilog代码计算FIFO深度的示例:
// FIFO参数
parameter DATA_WIDTH = 32; // 32位
parameter WORD_SIZE = 8; // 8位字长
parameter FIFO_SIZE = 128; // 总容量128字节
// 每个FIFO存储单元的大小
localparam FIFO_CELL_SIZE = DATA_WIDTH / WORD_SIZE;
// FIFO最大可存储数据量
localparam FIFO_MAX_WORDS = FIFO_SIZE / FIFO_CELL_SIZE;
// 选择大于FIFO_MAX_WORDS的2的幂
localparam FIFO_DEPTH = (FIFO_MAX_WORDS > 0) ?
(2**$clog2(FIFO_MAX_WORDS)) : 1;
// FIFO深度比特宽
localparam FIFO_DEPTH_WIDTH = $clog2(FIFO_DEPTH);
这个示例中,根据位宽32位、字长8位和容量128字节，计算出FIFO深度为32,需要5比特表示。
四、SystemVerilog代码示例
下面是使用SystemVerilog编写的等价代码:
// FIFO参数
localparam int DATA_WIDTH = 32;
localparam int WORD_SIZE = 8;
localparam int FIFO_SIZE = 128;
// 每个FIFO存储单元的大小
localparam int FIFO_CELL_SIZE = DATA_WIDTH / WORD_SIZE;
// FIFO最大可存储数据量
localparam int FIFO_MAX_WORDS = FIFO_SIZE / FIFO_CELL_SIZE;
// 选择大于FIFO_MAX_WORDS的2的幂
localparam int FIFO_DEPTH = (FIFO_MAX_WORDS > 0) ?
2**(FIFO_MAX_WORDS.log2) : 1;
// FIFO深度比特宽
localparam int FIFO_DEPTH_WIDTH = $clog2(FIFO_DEPTH);
SystemVerilog通过使用内置的log2函数可以简化代码。
五、FIFO深度计算实例
下面通过一些具体实例进一步说明FIFO深度计算过程。
1、匹配数据带宽
如果FIFO需要匹配指定的数据带宽，那么深度计算要考虑串行化因子的影响。
例如需要200MHz的串行LVDS接口，使用10位数据，那么单位时间内可以传输200MHz * 10位 = 2Gbps的数据。
如果后端接口是32位宽，100MHz,，那么其带宽为100MHz * 32位 = 3.2Gbps。为匹配带宽，前端数据需要缓存,此时FIFO深度计算如下:
后端带宽 = 3.2Gbps
前端带宽 = 2Gbps
串行化因子 = 后端带宽/前端带宽 = 3.2/2 = 1.6
FIFO深度 > 串行化因子 = 1.6
因此,选择FIFO深度为2才能匹配带宽需求。
2、防止数据溢出
如果写入FIFO的数据速率可能高于读取速率，那么需要增加FIFO深度来防止数据溢出。
场景1：如写入速率是100MB/s,读取速率是80MB/s,允许最大等待时间为50μs,那么需要的FIFO大小计算如下:
写入速率 = 100MB/s
读取速率 = 80MB/s
最大等待时间 = 50μs
额外存储量 = 写入速率 × 最大等待时间
= 100MB/s × 50μs
= 5000bit
因此，FIFO深度需要考虑额外存储5000bit的数据量，也就是除了正常存储量外还需要确保至少有5000bit的额外FIFO深度。
场景2：异步FIFO，写时钟100MHZ，读时钟80MHZ。读写位宽均为16bit。已知每100个写周期最多写入960bit数据，读侧每时钟读取一个数据。问：FIFO深度至少为多少？
最恶劣情况：前100个周期的后连续60个周期写入960bit数据，后100个周期的前连续60个周期写入960bit数据。
写数据：最大数量为连续120个写周期内，写入数据量960*2bit = 1920 bit，用时为120/100 ns。
读数据：这段时间内的数据量为 120/100 * 80 * 16bit = 1536 bit 。
最大缓存数据量为 1920 - 1536 = 384 bit
写数据最大缓存深度：384/16 = 24
最大深度需要是2的幂次方，即为32
3、优化资源利用
有时为了优化资源利用，可能需要降低FIFO深度。
例如根据带宽计算,一个18Kb block RAM可以实现depth=512的FIFO，但考虑到资源限制,只能使用一个9Kb RAM，这时可以将FIFO设计为depth=256,节省block RAM资源。
同样,为了优化资源利用，FIFO深度通常设计为2的整数次幂，这可以减少地址解码逻辑所需资源。
六、结论
FIFO深度计算并不复杂，但需要考虑许多实际因素，如带宽匹配、防溢出和资源优化等。一般来说，根据存储需求计算出最大深度，再综合考虑资源和性能约束，选择大于等于该最大深度的2的幂次方作为最终FIFO深度，既能满足存储需求，又可以优化FPGA资源利用。
