Xilinx FIFO Generate IP核（1）：Native接口配置指南

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#fpga开发 #FIFO Generate #Native 接口 #FIFO IP配置

1 引言      

      在现代FPGA设计中，FIFO（先进先出）队列是数据流控制的关键组件。Xilinx提供的FIFO Generate IP核是一个经过全面验证的先进先出内存队列，能够实现高性能且面积优化的设计。本文将深入解析该IP核在Native接口模式下的配置方法和特性。

2 FIFO Generate IP核概述

FIFO Generate IP核为所有FIFO配置提供优化解决方案，在使用最少资源的同时实现最高性能（高达500 MHz）。该IP核支持三种接口类型：

  • Native Interface FIFO（本文重点）

  • AXI Memory Mapped Interface FIFO

  • AXI4-Stream Interface FIFO

3 Native接口核心特性

Native接口FIFO具有以下突出特性：

  • 数据宽度：1至1024位可配置

  • 纵横比：支持对称或非对称（读写端口比率范围1:8到8:1）

  • 复位选项：同步或异步复位

  • 内存类型：可选块RAM、分布式RAM、移位寄存器或内置FIFO

  • 操作模式：标准模式或首字直通（FWFT）模式

  • 状态标志：满/空标志、几乎满/几乎空标志

  • 高级功能：可编程状态标志、握手信号、ECC错误校正

4 IP核配置详解

4.1 Basic页面配置

在Basic页面中，首先需要选择时钟域类型：

4.1.1 时钟域类型

公共时钟（Common Clock）

  • 读写操作使用同一时钟

  • 时序简单，资源消耗较少

独立时钟（Independent Clock）

  • 读写使用不同的时钟（rd_clk和wr_clk）

  • 适用于跨时钟域数据传输

  • 需要同步电路，资源消耗稍多

4.1.2 FIFO实现方式选择

     根据应用需求，可选择四种不同的实现方式，实现方式对比表如下，关于这四种实现方式的详细描述见：Xilinx FIFO Generate IP核（2）：四种实现方式详解--从资源消耗到应用场景-优快云博客

实现方式存储资源逻辑资源最大频率功耗典型应用场景
Block RAM专用BRAM少高低大数据量缓冲
Distributed RAMLUT多中中小容量、灵活配置
Shift RegisterSRL32E少高低固定延迟线、小深度
Built-in FIFO专用硬件极少最高最低高速接口、硬核功能
4.1.2.1 Block RAM (BRAM) FIFO

  • 资源特性：使用专用Block RAM块，逻辑资源消耗少

  • 性能指标：频率450-550MHz，延迟2-3周期

  • 适用场景：深度较大（>256）的FIFO

4.1.2.2 Distributed RAM FIFO

  • 资源特性：使用CLB中的LUT作为存储，配置灵活

  • 性能指标：频率300-400MHz，延迟1-2周期

  • 适用场景：小容量（深度≤64）FIFO

4.1.2.3  Shift Register FIFO

  • 资源特性：基于SRL32E移位寄存器，资源效率高

  • 性能指标：频率500-600MHz，固定延迟

  • 适用场景：固定延迟需求的应用

4.1.2.4 Built-in FIFO

  • 资源特性：硬核实现，几乎不消耗逻辑资源

  • 性能指标：可达I/O最高频率，极低延迟

  • 适用场景：最高性能要求的场景

4.1.2.5 选择策略指南

基于容量需求的选择：

  • 深度 > 256：推荐Block RAM（资源效率高）

  • 深度 ≤ 64：考虑Distributed RAM（避免BRAM浪费）

  • 固定延迟：选择Shift Register（性能最佳）

  • 高速接口：使用Built-in FIFO（性能最优）

4.2 Native Port页面配置

4.2.1 读模式选择

关于FIFO读模式详解见：Xilinx FIFO Generate IP核（3）：读模式详解--标准FIFO vs FWFT模式-优快云博客

4.2.1.1 标准FIFO模式

  • 数据在rd_en有效后出现在输出端口

  • 需要先判断empty信号再发出读使能

  • 至少1个时钟周期的读取延迟

标准FIFO模式时序

4.2.1.2 FWFT模式（首字直通）

  • 数据写入后自动出现在输出端口（FIFO非空时）

  • 零延迟读取，数据立即可用

  • 通过rd_en确认数据消费

FWFT模式的时序

4.2.1.3 模式选择建议：

  • 需要低延迟：选择FWFT模式

  • 传统FIFO操作：选择标准模式

4.2.2 数据端口参数

  • Write Width：写数据位宽（1-1024位）

  • Write Depth：写深度配置

  • Read Width：读数据位宽（1-1024位）

  • Read Depth：读深度配置

支持非对称配置，读写位宽比率范围1:8到8:1。

4.2.3 高级选项

详细说明参考：

Xilinx FIFO Generate IP核（4）：ECC、输出寄存器与电源门控详解-优快云博客

4.2.3.1 ECC（错误校正码）

  • 检测和纠正存储器中的数据错误

  • 保护Block RAM中的数据免受软错误影响

4.2.3.2 输出寄存器

  • 改善输出路径时序

  • 增加固定延迟但提高时序余量

4.2.3.3 电源门控

  • 降低静态功耗的技术

  • 在电路空闲时切断电源

4.3 Status Flags页面配置

4.3.1 基本状态标志

  • full：FIFO已满，不可写入

  • empty：FIFO已空，不可读取

4.3.2 扩展状态标志

Almost Full Flag

  • 再写一笔数据FIFO将满

  • 高电平有效，与写时钟同步

Almost Empty Flag

  • 再读一笔数据FIFO将空

  • 高电平有效，与读时钟同步

4.3.3 可编程标志

提供多种可编程阈值配置：

  1. 无编程功能（No Programmable Full/empty Threshold）：使用固定阈值

  2. 单常数阈值（Single Programmable Full/empty Threshold Constant）：通过参数设置阈值，例如：在Full Threshold Assert Value里面输入Full的阈值，比如1022，即当fifo中数据超过1022时，prog_full拉高，低于1022时prog_full拉低

  3. 双常数阈值（Multiple Programmable Full/empty Threshold Constant）：分别设置触发和取消触发的阈值，例如：在Full Threshold Assert Value和Full Threshold Negate Value里面分别输入Full的阈值，比如Full Threshold Assert Value为1022，Full Threshold Negate Value为1000，即当fifo中数据超过1022时，prog_full拉高，低于1000时prog_full拉低。

  4. 单输入端口（Single Programmable Full/empty Threshold Input Port）：通过外部信号动态设置阈值，例如：从外部端口prog_full_thresh输入full的阈值，比如1022，即当fifo中数据超过1022时，prog_full拉高，低于1022时prog_full拉低。

  5. 双输入端口（Multiple Programmable Full/empty Threshold Input Port）：外部信号分别控制触发和取消触发的阈值，例如：从外部端口prog_full_thresh_Assert和prog_full_thresh_Negate分别输入full的阈值。比如prog_full_thresh_Assert为1022，prog_full_thresh_Negate为1000，即当fifo中数据超过1022时，prog_full拉高，低于1000时prog_full拉低。

4.3.4 握手信号

4.3.4.1 写握手：

  • wr_ack：成功写入确认

  • overflow：FIFO已满时继续写入触发

当成功写一笔数据后，wr_ack拉高，当full拉高之后还是在写数据，便会触发Overflow。

4.3.4.2 读握手：

  • valid：读数据有效标志

  • underflow：FIFO已空时继续读取触发

        Valid信号始终与读数据保持同步，在通用fifo模式下，当收到rd_en之后，拉起valid信号，同时给出读数据，在FWFT模式下，非空的时候，valid和读数据同时准备好，当rd_en拉起的时候，直接就返回数据。

        当empty的时候，还是发起了读使能，此时Underflow拉高，即读不到数据了。

4.4 Data Counts页面

提供读写数据计数功能：

  • wr_data_count：写入数据计数

  • rd_data_count：读取数据计数

注意：输出计数可能存在一定延迟，适合参考使用但不建议用于精确控制。

5 配置建议总结

  1. 默认选择：Block RAM FIFO（性能与资源平衡）

  2. 小容量需求：Distributed RAM FIFO（配置灵活）

  3. 低延迟需求：Shift Register FIFO或FWFT模式

  4. 最高性能：Built-in FIFO（硬核优化）

  5. 时序考虑：添加输出寄存器改善时序

  6. 功耗优化：Built-in FIFO > Shift Register > Block RAM > Distributed RAM

结语

       FIFO Generate IP核的Native接口提供了丰富灵活的配置选项，能够满足各种应用场景的需求。通过合理选择FIFO类型、读模式和状态标志，可以在资源消耗、性能和功能之间达到最佳平衡。在实际设计中，建议根据具体的数据流量、时序要求和资源约束进行针对性配置。

       在后续文章中，我们将深入探讨FIFO Generate IP核的其他接口模式以及在实际工程中的应用实例。

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