Xilinx FIFO Generate IP核（9）：FIFO清空操作详解

原创于 2025-11-11 14:40:25 发布 · 910 阅读

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#FPGA #Xilinx FIFO IP核 #FIFO 清空 #清空方式介绍

FPGA系统：总线接口与Xilinx IP核专栏收录该内容

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一引言

在FPGA开发中，FIFO（先进先出存储器）是我们经常使用的重要组件。然而，在实际工程项目中，我们经常会遇到需要清空FIFO的场景。今天我们就来深入探讨Xilinx FIFO的两种主要清空方式：直接复位清空和读取清空，分析它们各自的优缺点和适用场景。

二为什么需要清空FIFO？

在开始之前，我们先看看哪些情况下需要清空FIFO：

错误恢复：当数据传输出现错误时，需要清空FIFO重新开始
协议处理：某些通信协议要求在特定条件下清空缓冲区
状态重置：系统从异常状态恢复时，需要清空所有缓冲区
模式切换：工作模式改变时，可能需要清空已有数据

三清空FIFO的方式

3.1 方法一：直接复位清空

3.1.1 实现方式

直接复位清空是通过拉高FIFO的复位信号来实现的：

// 直接复位清空示例
reg fifo_reset;
wire [7:0] fifo_dout;
wire fifo_empty;

// Xilinx FIFO实例
fifo_generator_0 u_fifo (
    .clk(clk),
    .srst(rst & fifo_reset),  // 同步复位
    .din(data_in),
    .wr_en(wr_en),
    .rd_en(rd_en),
    .dout(fifo_dout),
    .full(full),
    .empty(fifo_empty)
);

// 清空控制逻辑
always @(posedge clk) begin
    if (clear_request) begin
        fifo_reset <= 1'b1;
    end else begin
        fifo_reset <= 1'b0;
    end
end

3.1.2 优点

立即生效
- 复位信号有效后，FIFO立即被清空
- 不需要等待时钟周期来完成清空
彻底干净
- 完全重置FIFO内部状态
- 读写指针、状态标志全部恢复初始值
资源友好
- 不需要额外的读取逻辑
- 不消耗总线带宽
简单可靠
- 控制逻辑简单
- 适用于各种容量的FIFO

3.1.3 缺点

时序要求严格

// 错误的单周期复位可能导致问题
always @(posedge clk) begin
    fifo_reset <= clear_request;  // 可能复位时间不够
end

// 正确的多周期复位
reg [2:0] reset_counter;
always @(posedge clk) begin
    if (clear_request) begin
        reset_counter <= 3'b111;
        fifo_reset <= 1'b1;
    end else if (reset_counter != 0) begin
        reset_counter <= reset_counter - 1;
        fifo_reset <= 1'b1;
    end else begin
        fifo_reset <= 1'b0;
    end
end

影响性能
- 复位期间FIFO完全不可用
- 大容量FIFO复位时间较长
可能的数据丢失
- 无法选择性保留数据
- 清空操作不可逆

3.2 方法二：读取清空

3.2.1 实现方式

读取清空是通过持续读取FIFO直到为空来实现的：

// 读取清空示例
reg clear_fifo;
reg [1:0] clear_state;
wire [7:0] fifo_dout;
wire fifo_empty;

// 清空状态机
localparam CLEAR_IDLE = 2'b00;
localparam CLEAR_ACTIVE = 2'b01;
localparam CLEAR_DONE = 2'b10;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        clear_state <= CLEAR_IDLE;
    end else begin
        case (clear_state)
            CLEAR_IDLE: begin
                if (clear_request) begin
                    clear_state <= CLEAR_ACTIVE;
                end
            end
            
            CLEAR_ACTIVE: begin
                if (fifo_empty) begin
                    clear_state <= CLEAR_DONE;
                end
            end
            
            CLEAR_DONE: begin
                clear_state <= CLEAR_IDLE;
            end
        endcase
    end
end

// 读取使能控制
assign rd_en = (clear_state == CLEAR_ACTIVE) ? 1'b1 : normal_rd_en;

// 数据输出处理（可选择丢弃或处理）
always @(posedge clk) begin
    if (rd_en && clear_state == CLEAR_ACTIVE) begin
        // 可选择对读取的数据进行处理或直接丢弃
        cleared_data <= fifo_dout;
        // 或者直接忽略fifo_dout
    end
end

3.2.2 优点

温和清空
- 不会中断FIFO的正常操作
- 可以与其他操作并行进行
数据可控

// 可以选择性处理清空的数据
always @(posedge clk) begin
    if (clear_reading && rd_en) begin
        case (fifo_dout)
            8'h55: handle_special_byte(fifo_dout);
            default: // 正常处理或丢弃
        end
    end
end

无时序风险
- 不需要担心复位脉冲宽度
- 适用于高频时钟域
资源复用
- 重用已有的读取逻辑
- 不需要额外的复位控制

3.2.3 缺点

时间消耗
- 清空时间与FIFO中数据量成正比
- 对于大容量FIFO，清空时间可能较长
资源占用
- 需要额外的状态机控制
- 占用读取接口带宽
逻辑复杂
- 需要处理读取数据的去向
- 可能影响正常的数据流

四实际工程实践例程

根据容量进行选择如下：当FIFO中的数据量大于某个阈值时，使用读取清空的方式会耗费很长的时间，故我们使用直接复位清除，但是当数据量不大的时候，使用读取清空会稳妥一些。

五总结与推荐

5.1 选择指南

场景	推荐方法	理由
小容量FIFO (< 1KB)	读取清空	时间短，避免复位时序问题
大容量FIFO (> 4KB)	直接复位	速度快，避免长时间占用
高频时钟域	读取清空	避免复位时序收敛问题
错误恢复	直接复位	快速彻底清除错误状态
正常流程	读取清空	不影响系统连续性