基于xilinx的fifo IP核使用

一、FIFO IP 核简介

        FIFO（First In First Out，即先入先出），是一种数据缓冲器，用来实现数据先入先出的读写方式。与 ROM 或 RAM 的按地址读写方式不同，FIFO 的读写遵循“先进先出”的原则，即数据按顺序写入 FIFO，先被写入的数据同样在读取的时候先被读出，所以FIFO存储器没有地址线。FIFO 有一个写端口和一个读端口外部无需使用者控制地址，使用方便。

        FIFO存储器主要是作为缓存，应用在同步时钟系统和异步时钟系统中，在很多的设计中都会使用，后面实例中如：多比特数据做跨时钟域的转换、前后带宽不同步等都用到了FIFO。FIFO 根据读写时钟是否相同，分为SCFIFO（同步FIFO）和 DCFIFO（异步FIFO），SCFIFO 的读写为同一时钟，应用在同步时钟系统中； DCFIFO 的读写时钟不同，应用在异步时钟系统中。

1.SCFIFO IP 核配置

        下面来看一下同步fifo的配置：

 ① 框中我们输入IP核的命名， 后面实例化IP 的时候都是使用的该名字，这里所取的名字最好是和该 IP 核相关，因为本节我们主要讲解同步 fifo，给该 IP 核取名为scfifo_256x8，让人一看名字就知道我们调用的 scfifo 是 256 个深度 8 位宽的。
② 框是选中 FIFO 的接口类型， 这里我们按默认选择“Native” 即可。
③ 框是选中 FIFO 的类型， 以及使用什么资源来实现。 这里我们选择“Common Clock Block RAM”使用块 RAM 来实现同步 FIFO；其中 Common Clock 表示是同步 FIFO，Block RAM 表示的是块 RAM 资源。

   ①框中是对模式的选择，这里我们选择标准 FIFO（Standard FIF0） 即可。
        ② 框中可设置存储数据的位宽和深度， 其中“Write Width”是设置写数据位宽，这里我们设置为 8 位； “Write Depth” 是设置数据深度，这里我们设置为 256； “Read Width”是设置读数据位宽，这里我们设置为 8 位；“Read Depth”为读数据深度，该选项会根据我们设置的读写位宽及写数据深度自动设置。
        ③ 框是对复位信号创建的设置， 大家可根据自己的设计需求进行选择是否创建， 这里我们按默认勾选， 进行创建。设置完之后切换到“Status Flags”页面。

        ①框中可勾选生成 FIFO 几乎满（Almost Full Flag） ，几乎空（Almost Empty Flag） 输
出信号；也就是说若勾选了这两个信号，当 FIFO 存储数据快满或者快空的时候，该信号就有效。这里大家可根据自己的实际需求进行勾选，这里我们选择都不勾选。
        ② 左框中可勾选生成写确认标志信号，用于报告写操作成功。 若勾选后可以配置为高电平有效或低电平有效，这里我们选择不勾选。
       ② 右框中可勾选生成溢出标志信号； 该标志信号可以指示 FIFO 内存储数据是否溢出，可以指示上一次写操作何时失败。若勾选后可以配置为高电平有效或低电平有效，这里我们选择不勾选。
        ③左 框中可勾选生成指示输出总线上数据何时有效的有效标志信号。 若勾选后可以配置
为高电平有效或低电平有，这里我们选择不勾选。
        ③右框中可勾选生成下溢标志信号；该标志信号可以指示 FIFO 内存储数据空了，可以指示上一次的读请求何时失败。 若勾选后可以配置为高电平有效或低电平有效，这里我们选择不勾选。
这些选项可以根据自己的设计需求进行勾选，这里我们按默认都不勾选，直接切换到“Data Counts”页面。

        可勾选“Data Count”生成 FIFO 内剩余个数输出信号， 该输出信号可根据自己设计是否需要进行生成，默认是不生成，这里我们勾选进行生成该信号。设置完之后切换到“summary”页面。

 然后点击OK。

1.1 SCFIFO IP 核例化     

         生成IP之后就可以将我们的同步fifo IP例化到我们的新建的同步fifo工程进行一个tb文件的编写。 

module scfifo(
	input					sys_clk		,     //
	input					sys_rst_n	,     //

	input		[7:0]		din			,     //写数据
	input					wr_en		,     //写使能
	input					rd_en		,     //读使能

	output		[7:0]		dout		,     //读数据
	output					full		,     //fifo满标志信号，高有效
	output					empty		,     //fifo空标志信号，高有效
	output		[7:0]		data_count        //fifo存在的数据个数
    );


scfifo_256x8 scfifo_256x8_inst (
  .clk(sys_clk),                // input wire clk
  .srst(~sys_rst_n),              // input wire srst
  .din(din),                // input wire [7 : 0] din
  .wr_en(wr_en),            // input wire wr_en
  .rd_en(rd_en),            // input wire rd_en
  .dout(dout),              // output wire [7 : 0] dout
  .full(full),              // output wire full
  .empty(empty),            // output wire empty
  .data_count(data_count)  // output wire [7 : 0] data_count
);

endmodule

1.2 SCFIFO IP 核仿真

        下面是 Testbench 仿真测试文件，和 SCFIFO 的仿真一样，我们也需要给输入信号测试激励， pi_flag 每 4 个时钟周期且没有读请求时产生一个数据有效标志信号也作为 FIFO 的写请求信号，因为需要 pi_data 伴随着 pi_flag 一起产生，所以每当 pi_data 检测到 pi_flag 标志信号有效时就自加 1，其值从 0~255 循环变化，这样我们就可以在 pi_flag 标志信号有效时将 pi_data 写入到 FIFO 中。而 FIFO 的读请求信号 rd_en 当 FIFO 的满标志信号 full 有效时拉高，当 FIFO 的空标志信号 empty 有效时拉低。

        SCFIFO 可以同时进行读写操作，但本例我们没有让 SCFIFO 同时进行读写，当我们真正使用 SCFIFO IP 核时一定要保证 FIFO 不被写满也不被读空。

`timescale 1ns / 1ns

module tb_scfifo();

//reg define
reg       sys_clk   ;           //系统时钟
reg [7:0] pi_data   ;           //写数据
reg       wr_en     ;           //写使能
reg       rd_en     ;           //读使能
reg       sys_rst_n ;           //系统复位
reg [1:0] cnt_baud  ;           //计数器

//wire define
wire [7:0] po_data ;            //读数据
wire       empty ;              //读空标志信号
wire       full ;               //写满标志信号
wire [7:0] data_count ;         //数据计数器


initial begin
    sys_clk = 1'b1;
    sys_rst_n <= 1'b0;
    #201
    sys_rst_n <= 1'b1;
end

always #10 sys_clk <= ~sys_clk;

//数据读写之间产生一个间隔
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n)
		cnt_baud <= 2'd0;
	else if(&cnt_baud == 2'd1)  //累计满清零
		cnt_baud <= 2'd0;
	else
		cnt_baud <= cnt_baud + 2'd1;
end

//写使能信号,也是fifo的写请求信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n)
		wr_en <= 1'b0;
    //每四个周期且没有读使能没有产生一个读使能信号
	else if(cnt_baud == 2'd0 && rd_en == 1'b0)
		wr_en <= 1'b1;
	else
		wr_en <= 1'b0;
end

//写数据模块，向fifo写入256个数据
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n)
		pi_data <= 8'd0;
	else if(pi_data == 8'd255 && wr_en == 1'd1)
		pi_data <= 8'd0;
	else if(wr_en == 1'b1)
		pi_data <= pi_data + 1'b1;
end

//fifo读请求信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
	if(!sys_rst_n)
		rd_en <= 1'b0;
    //当fifo中的数据被读空时，停止读取fifo中的数据
	else if(empty == 1'b1)
		rd_en <= 1'b0;
    //当fifo中的数据被写满时，停止往fifo中写入数据
	else if(full == 1'b1)
		rd_en <= 1'b1;
end


scfifo scfifo_inst(
	.sys_clk	(sys_clk),     
	.sys_rst_n	(sys_rst_n),     
			    
	.din		(pi_data)	,       //写数据
	.wr_en		(wr_en),            //写使能
	.rd_en		(rd_en),            //读使能
			    
	.dout		(po_data),           //读数据
	.full		(full),              //fifo满标志信号，高有效
	.empty		(empty),             //fifo空标志信号，高有效
	.data_count (data_count)         //fifo存在的数据个数
    );

endmodule

仿真结果：