FPGA通用FIFO设计

摘要介绍

对于fifo的设计，相关的资料有很多，但是针对一些特殊的应用，网上就比较少了。所以
本文给出的fifo具有通用性，适用于各行各业，各种场景。其关键点在于如何实现输入输出位宽不一致，如何处理深度不是2的幂的情况，实现溢出警告处理，数据指针功能，first word full through功能。

本文适合对fifo有一定熟悉程度的工程师阅读，进阶学习。

FIFO整体设计结构

fifo最基本的模块有：

• 写地址指针计数模块，写到读指针格雷码转换，同步电路
• 读地址指针计数模块，读到写指针格雷码转换，同步电路
• 空满标志判断模块
• 双端口ram
  各部分协同工作，一起完成一个异步fifo的功能。

这里不对这些基本的模块做详细论述了，我们将主要讲一些其他特殊的功能，以及实现方法。

1 输入输出位宽不一致

fifo不仅可以完成数据的缓冲，时钟域转换，还可以很轻松地完成数据位宽的转换。
其主要部分是一个输入输出位宽可变的bram，要做到通用信，还必须参数化这些位宽和地址深度。

1.1位宽可变的bram的实现

实现这个ram需要分两种情况：写位宽大于读，读位宽大于写
参数定义

localparam MEM_DW = RAMA_DW>RAMB_DW?RAMB_DW:RAMA_DW;
localparam MEMA_RATIO = RAMA_DW/MEM_DW;
localparam MEMB_RATIO = RAMB_DW/MEM_DW;
localparam MEM_DEPTH = (2**RAMA_DW)*MEMA_RATIO ;
localparam ADDRA_LOW=clogb2(MEMB_RATIO) - 1;
localparam ADDRB_LOW=clogb2(MEMA_RATIO) - 1;

1.1.1 写位宽小于读位宽

对于这种情况下，定义两个mem变量，位宽与写位宽相同。写数据时候轮流写入mem，读数据时候一起读出来。具体实现方法如下：

generate 
	if(MEMA_RATIO ==1)begin
	for (i=0;i<MEMA_RATIO ;i=i+1)begin:ram_inferA
		sdpram #(
			.RAM_WIDTH(MEM_DW),
			.RAM_DEPTH(2**RAMB_AW)
		)ram1(
				.addra(addra[RAMA_AW-1:ADDRA_LOW]),
				.addrb(addrb),
				.dina(dina),
				.clka(clka),
				.clkb(clkb),
				.wea(wea&(addra[ADDRA_LOW-1:0])),
				.enb(enb),
				rstb(rstb),
				.regceb(regceb),
				.doutb(doutb[MEM_DW*(i+1)-1:MEM_DW*i])
			);
	end else begin

1.1.2 写位宽大于读位宽

对于这种情况下，定义一个mem变量，位宽与读位宽相同。写数据时候直接写入mem，读数据时候根据ADDRA_LOW个低位读地址来切换读出的数据。具体实现方法如下：

for (i=0;i<MEMA_RATIO ;i=i+1)begin:ram_inferA
	sdpram #(
		.RAM_WIDTH(MEM_DW),
		.RAM_DEPTH(2**RAMB_AW)
	)ram1(
			.addra(addra),
			.addrb(addrb[RAMB_AW-1:ADDRB_LOW]),
			.dina(dina[MEM_DW*(i+1)-1:MEM_DW*i]),
			.clka(clka),
			.clkb(clkb),
			.wea(wea),
			.enb(enb),
			rstb(rstb),
			.regceb(regceb),
			.doutb(s_ram_data[i])
		);
	assign doutb=s_ram_data[addrb[ADDRB_LOW-1:0]];
endgenerate

1.2 读写指针的比较

由于位宽不相等，在读写指针之间相互运算的时候，操作方法也是有区别的。例如写8bit，读16bit,那么写指针同步到读时钟域的时候必须要除以2,位宽相差4倍就除以4，以此类推。具体代码如下：

rbin_next=(ren&~rempty)?(rbin+1):rbin;
rgray_nex=(rd_dw<=wr_dw)?(rbin_nex[rd_aw:sh_bits]>>1)^rbin_next[rd_aw:sh_bits]:(rbin_next>>1)^rbin_next;

写也是一样的道理

wbin_next=(wen&~wfull)?(wbin+1):wbin;
wgray_nex=(wd_dw<=rd_dw)?(wbin_nex[wr_aw:sh_bits]>>1)^wbin_next[wr_aw:sh_bits]:(wbin_next>>1)^wbin_next;

1.3读写计数

读写计数主要是为了给用户一个具体的数据，方便用户判断已经有多少个数据写入了，或者可读出多少个数据，具体会用在一些固定长度的数据包读写的实例中，但是需要特别注意的是这个读写的计数在同时读写时，有延迟，主要是地址指针异步同步所带来的延迟。
在计算读写计数值时候也需要考虑因位宽不同而导致的误差。
计算写计数时候如果写位宽小于读位宽，则将读位宽乘以比率。
计算读计数时候如果读位宽小于写位宽，则将写位宽乘以比率。
代码：

wr_data_cnt_val = wr_dw <= rd_dw? wbin_next[wr_aw:0] - {wq2_rptr_bin[aw_base:0],{sh_bits{1'b0}}} : wbin_nex[wr_aw:0] - wq2_rptr_bin[aw_base:0];
rd_data_cnt_val = rd_dw <= wr_dw ?{rq2_wptr_bin[aw_base:0],{sh_bits{1'b0}}} - rbin_next[rd_aw：0] ：rq2_wptr_bin[aw_base:0]-rbin_next[rd_aw:0];

2 fifo深度不是2的幂

很多时候实际项目中的fifo深度并不是2的幂，如果硬是用2的幂的fifo，那么将会浪费很多硬件资源，为了节省bram或者dram，本章给出一种方法实现任意深度的异步fifo。

2.1 格雷码的对称性

格雷码是具有对称性的，比如深度为三（下文均以3为例），取

二进制	格雷码
000	000
001	001
010	011
011	010
	对称线
100	110
101	111
110	101
111	100

仔细观察表格中，格雷码以3和4中间为分界线，最高位相反，上下对称，任意对称的两个数只有一个bit不同。

2.2 计数指针到格雷码的映射

读写地址是连续的0，1，2…；本质上是计数器，在计到规定的深度时回零。如此一来如果这个深度不是2的幂，将会造成在回零点时候格雷码多位发生变化，失去了格雷码的意义。
按照以下的方法可以解决这个问题：
1 读写地址是连续的0，1，2；本质上是计数器，但是需要在判断后两位为depth-1时把最高位取反，然后后面的位清零（因为mem深度就是3）。
举例： 0，1，2，4，5，6，0，1，2，4，5，6 …如此循环计数
2 格雷码转换，对于最高位为0的addr，只需要加上一个数字映射到对应的格雷码，比如0地址对应格雷码是001和110，1地址对应011和111，2地址对应010和101，所以把addr+(depth_ceil-depth)来进行地址的映射，再将映射的地址转换成格雷码，对于最高位为1 的addr不需要加这个数字映射。
3 格雷码同步到彼此的时钟域，将格雷码重新转换为对应的二进制，这个二进制是映射过的二进制，所以应根据最高位是0 减去(depth_ceil-depth)，最高位为1不需要减，这样就得到了同步到彼此时钟域的二进制地址（而不是用格雷码直接比较），剩下的空满判断就和同步fifo的判断一样了。

2.3 代码实现

关键代码如下：

//读写地址计数器
    always@(posedge wclk,negedge wrstn)begin
        if(!wrstn)
            waddr <= 0;
        else if(winc&&!(wfull))begin
            if(waddr[addr_width-1:0] == DEPTH-1)
                waddr <= {~waddr[addr_width],{(addr_width){1'b0}}};
            else
                waddr <= waddr+1;
        end
    end
    wire [addr_width:0]waddr_map;
    assign waddr_map = waddr[addr_width]?waddr:(waddr+(DEPTH_CEIL-DEPTH));//映射
    always@(posedge rclk,negedge rrstn)begin
        if(!rrstn)
            raddr <= 0;
        else if(rinc&&!rempty)begin
            if(raddr[addr_width-1:0] == DEPTH-1)
                raddr <= {~raddr[addr_width],{(addr_width){1'b0}}};
            else
                raddr <= raddr+1;
        end
    end
    wire [addr_width:0]raddr_map;
    assign raddr_map = raddr[addr_width]?raddr:(raddr+(DEPTH_CEIL-DEPTH));//映射

此处详细可以参考博客：https://blog.youkuaiyun.com/qq_45966855/article/details/130589071

3 溢出警告

警告分为overflow和underflow，前者是由于在fifo满后继续写fifo造成的警告，后者是在fifo为空后继续读造成的。如果出现了警告，则证明上一次的操作是失败的，用户需要根据警告信号采取相应的措施。
代码部分也比较简单

4 first word full through

First Word Full Through简称FWFT，在fifo读模式中经常用到。由于正常的标准fifo都会有一个到两个节拍的延迟，但是如果是FWFT模式，数据是提前出来的，这样在一些特殊场合中正好需要。
下面结合仿真波形讲解一下
FWFT读模式

例如fifo中存入的数据分别是34562345，45675678，6789789a …
当配置为FWFT模式时，ren拉高后数据34562345立即有效（已提前准备好），第二个cycle是45675678，后面依次给出其它的数据，不存在延迟。

标准读模式

例如fifo中存入的数据分别是34562345，45675678，6789789a …
当配置为标准读模式时，ren拉高后数据34562345在一个cycle后才有效，第二个cycle之后是45675678，后面依次给出其它的数据，存在一个时钟的延迟。

FWFT模式实现的关键点
要实现FWFT功能，
首先要在fifo的empty下降沿前，给出fifo内已经写入的第一个数据，这样就能保证第一个数据提前准备好。
其次是要在读使能ren拉高的时候ram的读地址mem_raddr要超前读指针一个数，这样可以保证在读完一个数后下一个数已经在要读之前准备好了。
最后需要注意的是rd_ack信号的产生也是有区别的，rd_ack在FWFT也要跟数据一样提前指示总线上的数据是否可用。
代码：

always @ (posedge rclk )rempty <= rempty_val;
generate
if(fwft_en == 1)begin
	assign mem_addr = rbin[rd_aw-1:0] + !(rempty);
	assign mem_cer = ren & ~rempty | rempty ;
	always @ (posedge rclk or negedge rrst_n)
		if(~rrst_n)
			rd_ack <= 0;
		else if(rd_clr)
			rd_ack <= 0;
		else 
			rd_ack <= ~rempty_val;
end else begin
	assign mem_addr = rbin[rd_aw-1:0] ;
	assign mem_cer = ren & ~rempty ;
	always @ (posedge rclk or negedge rrst_n)
		if(~rrst_n)
			rd_ack <= 0;
		else if(rd_clr)
			rd_ack <= 0;
		else 
			rd_ack <= ren& ~rempty;
end
endgenerate

5 总结

fifo是一个非常基础的IP，就是因为是基础，常用，所以可玩性非常多。在下学识浅薄，有未能详尽之处还请海涵。
如有不足之处或者新的看法，欢迎在评论区给与点评与指导，一定认真听取和采纳。