FIFO（First In First Out）是异步数据传输时经常使用的存储器。该存储器的特点是数据先进先出（后进后出）。其实，多位宽数据的异步传输问题，无论是从快时钟到慢时钟域，还是从慢时钟到快时钟域，都可以使用 FIFO 处理。
FIFO 原理
工作流程
复位之后，在写时钟和状态信号的控制下，数据写入 FIFO 中。RAM 的写地址从 0 开始，每写一次数据写地址指针加一，指向下一个存储单元。当 FIFO 写满后，数据将不能再写入，否则数据会因覆盖而丢失。
FIFO 数据为非空、或满状态时，在读时钟和状态信号的控制下，可以将数据从 FIFO 中读出。RAM 的读地址从 0 开始，每读一次数据读地址指针加一，指向下一个存储单元。当 FIFO 读空后，就不能再读数据，否则读出的数据将是错误的。
FIFO 的存储结构为双口 RAM，所以允许读写同时进行。典型异步 FIFO 结构图如下所示。端口及内部信号将在代码编写时进行说明。
读写时刻
关于写时刻，只要 FIFO 中数据为非满状态，就可以进行写操作；如果 FIFO 为满状态，则禁止再写数据。关于读时刻，只要 FIFO 中数据为非空状态，就可以进行读操作；如果 FIFO 为空状态，则禁止再读数据。不管怎样，一段正常读写 FIFO 的时间段，如果读写同时进行，则要求写 FIFO 速率不能大于读速率。
读空状态
开始复位时，FIFO 没有数据，空状态信号是有效的。当 FIFO 中被写入数据后，空状态信号拉低无效。当读数据地址追赶上写地址，即读写地址都相等时，FIFO 为空状态。
因为是异步 FIFO，所以读写地址进行比较时，需要同步打拍逻辑，就需要耗费一定的时间。所以空状态的指示信号不是实时的，会有一定的延时。如果在这段延迟时间内又有新的数据写入 FIFO，就会出现空状态指示信号有效，但是 FIFO 中其实存在数据的现象。
严格来讲该空状态指示是错误的。但是产生空状态的意义在于防止读操作对空状态的 FIFO 进行数据读取。产生空状态信号时，实际 FIFO 中有数据，相当于提前判断了空状态信号，此时不再进行读 FIFO 数据操作也是安全的。所以，该设计从应用上来说是没有问题的。
写满状态
开始复位时，FIFO 没有数据，满信号是无效的。当 FIFO 中被写入数据后，此时读操作不进行或读速率相对较慢，只要写数据地址超过读数据地址一个 FIFO 深度时，便会产生满状态信号。此时写地址和读地址也是相等的，但是意义是不一样的。
此时经常使用多余的 1bit 分别当做读写地址的拓展位，来区分读写地址相同的时候，FIFO 的状态是空还是满状态。当读写地址与拓展位均相同的时候，表明读写数据的数量是一致的，则此时 FIFO 是空状态。如果读写地址相同，拓展位为相反数，表明写数据的数量已经超过读数据数量的一个 FIFO 深度了，此时 FIFO 是满状态。当然，此条件成立的前提是空状态禁止读操作、满状态禁止写操作。
同理，由于异步延迟逻辑的存在，满状态信号也不是实时的。但是也相当于提前判断了满状态信号，此时不再进行写 FIFO 操作也不会影响应用的正确性。
FIFO 设计
设计要求
为设计应用于各种场景的 FIFO，这里对设计提出如下要求：
- (1) FIFO 深度、宽度参数化，输出空、满状态信号，并输出一个可配置的满状态信号。当 FIFO 内部数据达到设置的参数数量时，拉高该信号。
- (2) 输入数据和输出数据位宽可以不一致，但要保证写数据、写地址位宽与读数据、读地址位宽的一致性。例如写数据位宽 8bit，写地址位宽为 6bit（64 个数据）。如果输出数据位宽要求 32bit，则输出地址位宽应该为 4bit（16 个数据）。
- (3) FIFO 是异步的，即读写控制信号来自不同的时钟域。输出空、满状态信号之前，读写地址信号要用格雷码做同步处理，通过减少多位宽信号的翻转来减少打拍法同步时数据的传输错误。 格雷码与二进制之间的转换如下图所示。
双口 RAM 设计
RAM 端口参数可配置，读写位宽可以不一致。建议 memory 数组定义时，以长位宽地址、短位宽数据的参数为参考，方便数组变量进行选择访问。
Verilog 描述如下。
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68module ramdp #( parameter AWI = 5 , parameter AWO = 7 , parameter DWI = 64 , parameter DWO = 16 ) ( input CLK_WR , //写时钟 input WR_EN , //写使能 input [AWI-1:0] ADDR_WR ,//写地址 input [DWI-1:0] D , //写数据 input CLK_RD , //读时钟 input RD_EN , //读使能 input [AWO-1:0] ADDR_RD ,//读地址 output reg [DWO-1:0] Q //读数据 ); //输出位宽大于输入位宽，求取扩大的倍数及对应的位数 parameter EXTENT = DWO/DWI ; parameter EXTENT_BIT = AWI-AWO > 0 ? AWI-AWO : 'b1 ; //输入位宽大于输出位宽，求取缩小的倍数及对应的位数 parameter SHRINK = DWI/DWO ; parameter SHRINK_BIT = AWO-AWI > 0 ? AWO-AWI : 'b1; genvar i ; generate //数据位宽展宽（地址位宽缩小） if (DWO >= DWI) begin //写逻辑，每时钟写一次 reg [DWI-1:0] mem [(1<<AWI)-1 : 0] ; always @(posedge CLK_WR) begin if (WR_EN) begin mem[ADDR_WR] <= D ; end end //读逻辑，每时钟读 4 次 for (i=0; i<EXTENT; i=i+1) begin always @(posedge CLK_RD) begin if (RD_EN) begin Q[(i+1)*DWI-1: i*DWI] <= mem[(ADDR_RD*EXTENT) + i ] ; end end end end //================================================= //数据位宽缩小（地址位宽展宽） else begin //写逻辑，每时钟写 4 次 reg [DWO-1:0] mem [(1<<AWO)-1 : 0] ; for (i=0; i<SHRINK; i=i+1) begin always @(posedge CLK_WR) begin if (WR_EN) begin mem[(ADDR_WR*SHRINK)+i] <= D[(i+1)*DWO -1: i*DWO] ; end end end //读逻辑，每时钟读 1 次 always @(posedge CLK_RD) begin if (RD_EN) begin Q <= mem[ADDR_RD] ; end end end endgenerate endmodule
计数器设计
计数器用于产生读写地址信息，位宽可配置，不需要设置结束值，让其溢出后自动重新计数即可。Verilg 描述如下。
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22module ccnt #(parameter W ) ( input rstn , input clk , input en , output [W-1:0] count ); reg [W-1:0] count_r ; always @(posedge clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin count_r <= 'b0 ; end else if (en) begin count_r <= count_r + 1'b1 ; end end assign count = count_r ; endmodule
FIFO 设计
该模块为 FIFO 的主体部分，产生读写控制逻辑，并产生空、满、可编程满状态信号。
鉴于篇幅原因，这里只给出读数据位宽大于写数据位宽的逻辑代码。
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148module fifo #( parameter AWI = 5 , parameter AWO = 3 , parameter DWI = 4 , parameter DWO = 16 , parameter PROG_DEPTH = 16) //可设置深度 ( input rstn, //读写使用一个复位 input wclk, //写时钟 input winc, //写使能 input [DWI-1: 0] wdata, //写数据 input rclk, //读时钟 input rinc, //读使能 output [DWO-1 : 0] rdata, //读数据 output wfull, //写满标志 output rempty, //读空标志 output prog_full //可编程满标志 ); //输出位宽大于输入位宽，求取扩大的倍数及对应的位数 parameter EXTENT = DWO/DWI ; parameter EXTENT_BIT = AWI-AWO ; //输出位宽小于输入位宽，求取缩小的倍数及对应的位数 parameter SHRINK = DWI/DWO ; parameter SHRINK_BIT = AWO-AWI ; //==================== push/wr counter =============== wire [AWI-1:0] waddr ; wire wover_flag ; //多使用一位做写地址拓展 ccnt #(.W(AWI+1)) u_push_cnt( .rstn (rstn), .clk (wclk), .en (winc && !wfull), //full 时禁止写 .count ({wover_flag, waddr}) ); //============== pop/rd counter =================== wire [AWO-1:0] raddr ; wire rover_flag ; //多使用一位做读地址拓展 ccnt #(.W(AWO+1)) u_pop_cnt( .rstn (rstn), .clk (rclk), .en (rinc & !rempty), //empyt 时禁止读 .count ({rover_flag, raddr}) ); //============================================== //窄数据进，宽数据出 generate if (DWO >= DWI) begin : EXTENT_WIDTH //格雷码转换 wire [AWI:0] wptr = ({wover_flag, waddr}>>1) ^ ({wover_flag, waddr}) ; //将写数据指针同步到读时钟域 reg [AWI:0] rq2_wptr_r0 ; reg [AWI:0] rq2_wptr_r1 ; always @(posedge rclk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin rq2_wptr_r0 <= 'b0 ; rq2_wptr_r1 <= 'b0 ; end else begin rq2_wptr_r0 <= wptr ; rq2_wptr_r1 <= rq2_wptr_r0 ; end end //格雷码转换 wire [AWI-1:0] raddr_ex = raddr << EXTENT_BIT ; wire [AWI:0] rptr = ({rover_flag, raddr_ex}>>1) ^ ({rover_flag, raddr_ex}) ; //将读数据指针同步到写时钟域 reg [AWI:0] wq2_rptr_r0 ; reg [AWI:0] wq2_rptr_r1 ; always @(posedge wclk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin wq2_rptr_r0 <= 'b0 ; wq2_rptr_r1 <= 'b0 ; end else begin wq2_rptr_r0 <= rptr ; wq2_rptr_r1 <= wq2_rptr_r0 ; end end //格雷码反解码 //如果只需要空、满状态信号，则不需要反解码 //因为可编程满状态信号的存在，地址反解码后便于比较 reg [AWI:0] wq2_rptr_decode ; reg [AWI:0] rq2_wptr_decode ; integer i ; always @(*) begin wq2_rptr_decode[AWI] = wq2_rptr_r1[AWI]; for (i=AWI-1; i>=0; i=i-1) begin wq2_rptr_decode[i] = wq2_rptr_decode[i+1] ^ wq2_rptr_r1[i] ; end end always @(*) begin rq2_wptr_decode[AWI] = rq2_wptr_r1[AWI]; for (i=AWI-1; i>=0; i=i-1) begin rq2_wptr_decode[i] = rq2_wptr_decode[i+1] ^ rq2_wptr_r1[i] ; end end //读写地址、拓展位完全相同是，为空状态 assign rempty = (rover_flag == rq2_wptr_decode[AWI]) && (raddr_ex >= rq2_wptr_decode[AWI-1:0]); //读写地址相同、拓展位不同，为满状态 assign wfull = (wover_flag != wq2_rptr_decode[AWI]) && (waddr >= wq2_rptr_decode[AWI-1:0]) ; //拓展位一样时，写地址必然不小于读地址 //拓展位不同时，写地址部分比如小于读地址，实际写地址要增加一个FIFO深度 assign prog_full = (wover_flag == wq2_rptr_decode[AWI]) ? waddr - wq2_rptr_decode[AWI-1:0] >= PROG_DEPTH-1 : waddr + (1<<AWI) - wq2_rptr_decode[AWI-1:0] >= PROG_DEPTH-1; //双口 ram 例化 ramdp #( .AWI (AWI), .AWO (AWO), .DWI (DWI), .DWO (DWO)) u_ramdp ( .CLK_WR (wclk), .WR_EN (winc & ！wfull), //写满时禁止写 .ADDR_WR (waddr), .D (wdata[DWI-1:0]), .CLK_RD (rclk), .RD_EN (rinc & !rempty), //读空时禁止读 .ADDR_RD (raddr), .Q (rdata[DWO-1:0]) ); end //============================================== //big in and small out /* else begin: SHRINK_WIDTH …… end */ endgenerate endmodule
FIFO 调用
下面可以调用设计的 FIFO，完成多位宽数据传输的异步处理。
写数据位宽为 4bit，写深度为 32。
读数据位宽为 16bit，读深度为 8，可配置 full 深度为 16。
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46module fifo_s2b( input rstn, input [4-1: 0] din, //异步写数据 input din_clk, //异步写时钟 input din_en, //异步写使能 output [16-1 : 0] dout, //同步后数据 input dout_clk, //同步使用时钟 input dout_en ); //同步数据使能 wire fifo_empty, fifo_full, prog_full ; wire rd_en_wir ; wire [15:0] dout_wir ; //读空状态时禁止读，否则一直读 assign rd_en_wir = fifo_empty ? 1'b0 : 1'b1 ; fifo #(.AWI(5), .AWO(3), .DWI(4), .DWO(16), .PROG_DEPTH(16)) u_buf_s2b( .rstn (rstn), .wclk (din_clk), .winc (din_en), .wdata (din), .rclk (dout_clk), .rinc (rd_en_wir), .rdata (dout_wir), .wfull (fifo_full), .rempty (fifo_empty), .prog_full (prog_full)); //缓存同步后的数据和使能 reg dout_en_r ; always @(posedge dout_clk or negedge rstn) begin if (!rstn) begin dout_en_r <= 1'b0 ; end else begin dout_en_r <= rd_en_wir ; end end assign dout = dout_wir ; assign dout_en = dout_en_r ; endmodule
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82`timescale 1ns/1ns `define SMALL2BIG module test ; `ifdef SMALL2BIG reg rstn ; reg clk_slow, clk_fast ; reg [3:0] din ; reg din_en ; wire [15:0] dout ; wire dout_en ; //reset initial begin clk_slow = 0 ; clk_fast = 0 ; rstn = 0 ; #50 rstn = 1 ; end //读时钟 clock_slow 较快于写时钟 clk_fast 的 1/4 //保证读数据稍快于写数据 parameter CYCLE_WR = 40 ; always #(CYCLE_WR/2/4) clk_fast = ~clk_fast ; always #(CYCLE_WR/2-1) clk_slow = ~clk_slow ; //data generate initial begin din = 16'h4321 ; din_en = 0 ; wait (rstn) ; //(1) 测试 full、prog_full、empyt 信号 force test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc = 1'b0 ; repeat(32) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end @(negedge clk_fast) din_en = 1'b0 ; //(2) 测试数据读写 #500 ; rstn = 0 ; #10 rstn = 1 ; release test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc; repeat(100) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end //(3) 停止读取再一次测试 empyt、full、prog_full 信号 force test.u_data_buf2.u_buf_s2b.rinc = 1'b0 ; repeat(18) begin @(negedge clk_fast) ; din_en = 1'b1 ; din = {$random()} % 16; end end fifo_s2b u_data_buf2( .rstn (rstn), .din (din), .din_clk (clk_fast), .din_en (din_en), .dout (dout), .dout_clk (clk_slow), .dout_en (dout_en)); `else `endif //stop sim initial begin forever begin #100; if ($time >= 5000) $finish ; end end endmodule
最后
以上就是俊秀蜡烛最近收集整理的关于异步FIFO设计（Verilog）的全部内容，更多相关异步FIFO设计（Verilog）内容请搜索靠谱客的其他文章。
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