FPGA的FIFO實現(xiàn)過程

FIFO隊列是一種數(shù)據(jù)緩沖器，用于數(shù)據(jù)的緩存。他是一種先入先出的存儲

器，即最先寫入的數(shù)據(jù)，最先讀。FIFO的參數(shù)有數(shù)據(jù)深度和數(shù)據(jù)寬度。數(shù)據(jù)寬

度是指存儲數(shù)據(jù)的寬度。深度是指存儲器可以存儲多少個數(shù)據(jù)。

FIFO隊列有兩個標(biāo)志位。一個滿和一個空標(biāo)志位。分別表示FIFO是數(shù)據(jù)寫

滿，還是數(shù)據(jù)讀空。在數(shù)據(jù)寫滿狀態(tài)下，數(shù)據(jù)寫入是不允許的，因此在這個狀

態(tài)下，寫入的數(shù)據(jù)無效。而數(shù)據(jù)讀空狀態(tài)下，數(shù)據(jù)讀取是不允許的，因此在這

個狀態(tài)下，讀取的數(shù)據(jù)無效。

FIFO隊列有兩個位置指示指針。一個是寫指針，指向隊列的第一個存儲單

元。一個讀指針，指向隊列的最后一個存儲單元。當(dāng)有寫命令的時候，數(shù)據(jù)寫

入寫指針指向的存儲單元，然后指針加一。當(dāng)有讀命令的時候，讀指針加一，

在讀出讀指針指向的存儲單元的數(shù)據(jù)。這里讀命令，指針要加一，是定義讀數(shù)

據(jù)，是讀出讀指針的下一個存儲單元的數(shù)據(jù)。

肖寫指針和讀指針的指向存儲單元一樣時，這時候根據(jù)之前是讀命令還是

寫命令來判斷隊列是空，還是滿。在讀命令，兩個指針值一樣時候，則隊列

空。在寫命令，兩個指針值一樣，則隊列滿。

以后就開始寫代碼實現(xiàn)上訴FIFO隊列，并進(jìn)行仿真。

以下，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度為8.深度為2八4的深度的FIFO。。讀/寫時鐘是同

一個。

modulefifo_cus

做

parameterN=8,〃數(shù)據(jù)寬度

parameterM=4〃fifo的地址寬度

)

〃對隊列的參數(shù)設(shè)置。建議這樣寫，便于以后代碼的移植。

〃如果以后要實現(xiàn)數(shù)據(jù)寬度為16,深度為2〃8的FIFO。只需改N=16M=8

即可

inputelk,//輸入時鐘

inputrst_n,//輸入復(fù)位信號

inputwr,//輸入與使能

input[N-l:0]wdata,〃輸入輸入

inputrd,〃輸入讀便能

outputempty,〃輸出fifo空標(biāo)志

outputful1,〃輸出fifo滿標(biāo)志

output[N-l:0]r_data〃輸出讀取的數(shù)據(jù)

)；

//寄存器組,用來充當(dāng)FIFO隊列

reg[N-l:0]array_reg[2**M-1:0];

〃定義寫指針，指示當(dāng)前寫的位置，下一個狀態(tài)寫的位置，寫位置的下一

個位置

reg[M-l:0]wptrreg,w_ptr_next,w_ptr_succ;

〃定義讀指針，指示當(dāng)前讀的位置，下一個狀態(tài)讀的位置，讀位置的下一

個位置

reg[M-l:0]r_ptr_reg,r_ptr_next,r_ptr_succ;

〃定義FIFO滿和空的信號

rogfull_rog,fulInoxt;

regempty_reg,empty_next;

wirewren;

〃數(shù)據(jù)的寫入，在數(shù)據(jù)的上升沿的時候，有寫使能信號，將數(shù)據(jù)寫入。而

always?(posedgeelk)begin

if(wr_en)

arrayreg[wptrreg]<=wdata;

else

arrayreg[wptrreg]<=array_reg[w_ptr_reg];

end

//數(shù)據(jù)的讀取。數(shù)據(jù)讀取是一宜在讀取的，不過讀取的是之前的值。

assignrdcitci=array_reg[r_ptr_reg];

assignwren=wr&^full_reg;

/*狀態(tài)跳轉(zhuǎn)

在復(fù)位信號有效，讀/寫指針都指向0地址。此時隊列狀態(tài)為空。

在復(fù)位不有效，且在時鐘的上升沿，讀/寫指針的值，隊列空，滿狀態(tài)的值

又下一狀態(tài)決定。否則保持*/

always?(posedgeelk)begin

if(!rst_n)

begin

w_ptr_reg<=0;

r_ptr_reg<=0;

full_reg<=rbO;

empty_reg<=1'bl;

end

else

begin

wptr_reg<=w_ptr_next;

r_ptr_reg<=r_ptr_next;

fullreg<=fullnext;

empty_reg<=empty_next;

end

end

/*與命令：在與命令卜，如果隊列小為滿，將當(dāng)前與指針的下一個指針賦

值給讀指針的下一個狀態(tài)，同時將隊列的空標(biāo)志置0。

然后判斷寫指針的下一個指針是否和讀指針的值一樣。一樣的話，說明，

隊列為滿。否則不為滿。

*/

2'biO:

begin

if(^fullreg)

begin

w_ptr_next=w_ptr_succ;

empty_next=0;

if(w_pli_succ—i_pli_reg)

full_next=rb1;

else

full_next=rbO;

end

end

/*讀寫命令：在讀寫命令下，直接改變時應(yīng)指針的下一個狀態(tài)值。

*/

21611:

begin

w_ptr_next=w_ptr_succ：

r_ptr_next=r.ptrsucc;

endeelse

end

//滿/空輸出信號的賦值。

assignfull=full_reg;

assignempty=emptyreg;

endmodule

好了，終于搞定FIFO的代碼了。下面來仿真看看結(jié)果。

以下分析仿真的結(jié)果:

寫數(shù)據(jù):

從下圖仿真，可看出。在最開始的時候，隊列是空的狀態(tài)。讀指針和寫指

針都是0。在寫使能情況下，在每個時鐘的上升沿（藍(lán)色線），數(shù)據(jù)寫入隊列

array_reg中。同時，寫指針加一。而讀指針是不變的。

|2(X4[2151

l—1

3?180ns,190ns200ns210ns

11?11RIlliiiii■■illiii

................

1吆empty0

Qfull0

...........

.elk1________r________1

1

Qs11

A■w-ata[7:0]/2d

130/<1

.......--------

S0j?__i

?Mr_ptr_r*e[3:0]0-------------1

▼■?r?*y_??r(150,70)(X,X,X,X.X,X.X,XzX,I,X,X,工Xx.x,x,x,x,x,x][X,X,X,3J,X,…[x,x,

>，[15,7:0】X

A、[1<70]X

A~[13,7:0]X

>，[12,7:0]X

A，[11,7:0]X

>~[10,7:?！縓

li■]

>■07:0】X

>~[?,70]X

A，[LTO]X

>y[6,7:0]X

A~[5"：0]XI

>，[4,7:0]13X

?、[3,TO]Z43X

〉，[2,7:0]249-IT

>■[1,70]

Z41X-

>，[0,1:0]4"HFL

二二二二-i'll「二!三“丫一L

1

XI;245240ns

從卜圖發(fā)現(xiàn)，在隊列滿狀態(tài)下，即使與使能，F(xiàn)IFO也小接受與數(shù)據(jù)。依IH

保持原來的值。

340ns360M370ns380

1....

0

&full1

二____1—1

遙cik0________111____■____1

e“51

1

242:9)1也1:245):250)

＞Zw_p*r_r?K(3:0)0

—]11

＞0]0

一一i?

11...

▼,??r?y_r?t[150,70]【246,9,12,13,12,1-[X.9,12,13U3-1

＞，[15,T：0]246*X

＞，[14,7:0]9X＜_

—

＞，[13,7:0]12

1

AW[12,7:0]13

＞，[!L7:0]13

A，[10,7:0]6

■

＞.[9,70]13

＞.[8,70]

1____

＞，[7,7:0】Z42

＞，[6,70]245

＞，(5,70]13

—

＞巾[4,7:0]13

?Rf[3,70]243

＞，[2.70]249

＞2【L70]241

—■

＞，[0,70]4

4HHHHHHHHHM1A

XI:4013452

讀數(shù)據(jù)

從下圖中看出，最開始，數(shù)據(jù)讀出是有值的。為初始化的讀指針指向的存

儲單元的值。這里為4。

當(dāng)有讀命令時候，在時鐘的上升沿（藍(lán)色線），讀指針加一。讀取的數(shù)據(jù)

隨之改變。

在數(shù)據(jù)讀完后，即隊列為空狀態(tài)下。此時對數(shù)據(jù)的讀取是無效的。從圖中

可看出，讀完后，讀指針為0.回到存儲器的第一個地址。而此時讀出的值是無

效的。

Ax_d*U[70]

>■r.ptr.r?t（3：0）

▼，?rtfcy-r?K（15:0,7:0]

>.[】，ru]

），[14,7:0]

?f[13,70]

??[12,70]

A.[IL7：0]

>I[10,70]

?，[9,7:0】

>Rf[8,7:0]

>，[7,7:0]

>Rf[6,7:0】

>f[5,7:0】

>，[4,70]

A?E7:0]

>.[2,TO]

?■[1,7:0】

>M07:0）

>，w_P??_r?t[30]

4swi、?Ao??r，?ci

XI634.457ns

讀寫命令:

在同時讀同時寫的時候。從下圖，可看出，結(jié)果有問題了。在隊列為空的

狀態(tài)下，此時讀取的值，應(yīng)為此時寫的數(shù)據(jù)才對了。但是從圖中，可看出，讀

取的值不是當(dāng)前寫的數(shù)據(jù)的值。而是之前存儲在FIFO中的值。這樣的話，讀取

的值就不是正確的值了。

1EZL'E'

1?BeValue半91,,,J720ns1730ns740ns....I7：

____.111111111—■

1I

Qfun0

■1

Qcik1——11__1

11--------------------------

H1近|1

1—

.rd1__1

?蟹0]1312*2d￥

、1

r