FPGA数字IC笔试面试013—同步FIFO详解及代码分享
1. FIFO 简介及用途；
2. 同步 FIFO 接口；
3. 双口 RAM 接口；
4. 基于双口 RAM 的同步 FIFO 结构；
5. 读写地址产生逻辑；
6. 空满信号产生逻辑；
1. FIFO 简介
FIFO （先入先出, First In First Out ）存储器，在 FPGA 和数字 IC 设计中非常常用。 根据接入的时钟信号，可以分为同步 FIFO 和异步 FIFO 。
FIFO 底层基于双口 RAM ，同步 FIFO 的读写时钟一致，异步 FIFO 读时钟和写时钟不同。 同步时钟主要应用于速率匹配（数据缓冲），类似于乒乓存储提高性能的思想，可以让后级不必等待前级过多时间； 异步 FIFO 主要用于多 bit 信号的跨时钟域处理。
本文讨论同步 FIFO 的结构及控制逻辑设计，并给出代码。
2. 同步 FIFO 接口
对于同步 FIFO ，包含必要的接口如下图所示：
（1） clk ： 时钟信号，读写共用；
（2） rst_n ： 复位信号，视具体设计和芯片采用同步复位还是异步复位，此处默认使用异步低电平复位；
（3） wdata ： 写数据信号，信号后带“ \ ”表示是多 bit 信号；
（4） rdata ： 读数据信号，信号后带“ \ ”表示是多 bit 信号；
（5） wfull ： 满信号，指示 FIFO 写满了，不能再写了，如果再写会覆盖掉还没读出的写入数据，造成数据丢失；
（6） rempty ： 空信号，指示 FIFO 读空了，不能在读了，如果再读相当于有的数据重复读了第二遍，造成数据错误；
（7） winc ： 写使能信号，写使能有效时表示希望能写入数据；
（8） rinc ： 读使能信号，读使能有效时表示希望能读出数据；
3. 双口 RAM 接口
在实现 FIFO 时，无论是同步 FIFO 还是异步 FIFO ，通常会通过双口 RAM （ Dual Port RAM ）并添加一些必要的逻辑来实现。双口 RAM 的接口如下图所示。
左侧全部是写时钟域的，包括写时钟、写数据、写地址和写使能信号；
右侧全部是读时钟域的，包括读时钟、读数据、读地址和读使能信号；
4. 基于双口 RAM 的同步 FIFO 结构
根据同步 FIFO 的接口和双口 RAM 的接口，在借助双口 RAM 实现同步 FIFO 时，如下图所示结构，只需要加入读、写控制逻辑即可。在写逻辑中，用于产生写地址和写满信号； 在读逻辑中，用于产生读地址和读空信号。 读写控制逻辑还需要受到读写使能信号的控制。
5. 读写地址产生逻辑
读写地址什么时候能够递增？
显然，对于写地址必须满足：
（1） 写使能有效（要写入）；
（2） 没写满（能写入）；
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin waddr <= 'b0; end else begin if( winc && ~wfull ) begin waddr <= waddr + 1'b1; end else begin waddr <= waddr; end end end
对于读地址必须满足：
（1） 读使能有效（要读出）；
（2） 没读空（能读出）；
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n) begin if(~rst_n) begin raddr <= 'b0; end else begin if( rinc && ~rempty ) begin raddr <= raddr + 1'b1; end else begin raddr <= raddr; end end end
6. 空满信号产生逻辑
搞定了读写地址的控制逻辑，还差最后一步也是最关键的信号：空满信号如何产生。
空： 读空，读地址追上写地址；
满： 写满，写地址追上读地址。
问题来了： 怎么判地址断追上了呢？ 如果地址相等那应该是追上了，即 raadr == waddr 或者 wddr == raddr 。 如果按照这种判断，显然这两个地址追上对方的判断是等效的，无法区分出来到底是写追上读还是读追上写。
可以考虑： 使用 1 个标志位 flag 来额外指示写追上读还是读追上写。
参考前人的文献，判断空满的方式有多种，非常常用的一种是 Clifford E. Cummings 文章中提到的扩展 1 bit 的读写地址方法，也就是说，将前面提到的 flag 指示信号和原本 N 位的读写地址结合，使用 N+1 位的读写地址，其中最高位用于判断空满信号，其余低位还是正常用于读写地址索引。
以一个 4 深度的 FIFO 实例来说明， 4 深度原本需要 2 bit 的读写地址，现在扩展成 3 bit 。
使用低 2 位来进行双口 RAM 的地址索引，高位用于判断空满。 对于空信号，可以知道当 FIFO 里没有待读出的数据时产生。 也就是说，此时读追上了写，把之前写的数据刚刚全部都出，读地址和写地址此时指向相同的位置，读地址 - 写地址 =0 ，即
raddr == waddr
对于写满信号，当写入后还没被读出的数据恰好是 FIFO 深度的时候，产生满信号，即写地址 - 读地址 = FIFO 深度 = 4 。 对照下图可以发现，此时对于双口 RAM 的 2 bit 的地址来说，读写地址一致； 对于最高位来所，写是 1 而读是 0 。
再考虑下图所示的一种情况，写入待读出的数据仍然是 4 个，此时也是 4 深度的 FIFO 已经满了。 读写地址的低位相同，高位是写 0 读 1 。
对于写满的 2 种情况，总结下来，都是低位相同，最高位相反。
即：
raddr[N] = = ~waddr[N] raddr[N-1:0] = = waddr[N-1:0]
也就是：
raddr == {~waddr[N], waddr[N-1:0]}
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n)
begin
if(~rst_n) begin
wfull <= 'b0;
rempty <= 'b0;
end
else begin
wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});
rempty <= (raddr == waddr);
end
end 7. 全部代码
`timescale 1ns/1ns
/****************************/
// 作者：FPGA探索者
/****************************/
module sfifo#(
parameter WIDTH = 8,
parameter DEPTH = 16
)(
input clk ,
input rst_n ,
input winc ,
input rinc ,
input [WIDTH-1:0] wdata ,
output reg wfull ,
output reg rempty ,
output wire [WIDTH-1:0] rdata
);
// 用localparam定义一个参数，可以在文件内使用
localparam ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH);
reg [ADDR_WIDTH:0] waddr;
reg [ADDR_WIDTH:0] raddr;
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
waddr <= 'b0;
end
else begin
if( winc && ~wfull ) begin
waddr <= waddr + 1'b1;
end
else begin
waddr <= waddr;
end
end
end
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
raddr <= 'b0;
end
else begin
if( rinc && ~rempty ) begin
raddr <= raddr + 1'b1;
end
else begin
raddr <= raddr;
end
end
end
always @ (posedge clk&nbs***bsp;negedge rst_n) begin
if(~rst_n) begin
wfull <= 'b0;
rempty <= 'b0;
end
else begin
wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});
rempty <= (raddr == waddr);
end
end
// 带有 parameter 参数的例化格式
dual_port_RAM
#(
.DEPTH(DEPTH),
.WIDTH(WIDTH)
)
dual_port_RAM_U0
(
.wclk(clk),
.wenc(winc),
.waddr(waddr[ADDR_WIDTH-1:0]),
.wdata(wdata),
.rclk(clk),
.renc(rinc),
.raddr(raddr[ADDR_WIDTH-1:0]),
.rdata(rdata)
);
endmodule
/**************RAM 子模块*************/
module dual_port_RAM #(parameter DEPTH = 16,
parameter WIDTH = 8)(
input wclk
,input wenc
,input [$clog2(DEPTH)-1:0] waddr //深度对2取对数，得到地址的位宽。
,input [WIDTH-1:0] wdata //数据写入
,input rclk
,input renc
,input [$clog2(DEPTH)-1:0] raddr //深度对2取对数，得到地址的位宽。
,output reg [WIDTH-1:0] rdata //数据输出
);
reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [0:DEPTH-1];
always @(posedge wclk) begin
if(wenc)
RAM_MEM[waddr] <= wdata;
end
always @(posedge rclk) begin
if(renc)
rdata <= RAM_MEM[raddr];
end
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