FPGA原理与结构——FIFO IP核的使用与测试

一、前言

        本文介绍FIFO Generator v13.2 IP核的具体使用与例化，在学习一个IP核的使用之前，首先需要对于IP核的具体参数和原理有一个基本的了解，具体可以参考：

FPGA原理与结构——FIFO IP核原理学习https://blog.csdn.net/apple_53311083/article/details/132378996?spm=1001.2014.3001.5501

二、FIFO IP核定制

1、FIFO IP核

step1 打开vivado工程，点击左侧栏中的IP Catalog

step2 在搜索栏搜索FIFO，找到FIFO Generator核

2、IP核定制 

step3 Basic 界面定制

①Component Name ：自定义FIFO的名称 

②Interface Type ：接口类型，我们知道FIFO可以支持Native接口和AXI接口，其中AXI接口包括AXI3,AXI4,AXI Stream类型，这里我们选择Native。

Fifo Implementation ：用于选择我们想要实现的是同步 FIFO 还是异步 FIFO 以及使用哪

种资源实现 FIFO，这里我们选择“Independent Clocks Block RAM”,即使用块 RAM 来实现的异步 FIFO。

Synchronization Stages ：同步级数，这里保持默认为2，如果有更高的频率要求，可以提升。

③FIFO Implementation Options ：不同资源类型实现FIFO所能支持的功能列表，大家根据表格自行观察连接即可。

step4 Native Ports 界面设计

①Read Mode ：用于设置读 FIFO 时的读模式，可选的有标准模式和前显模式，一般没有特殊需求的前提下，我们推荐标准模式。这里我们选择默认的“Standard FIFO”。

②Data Port Parameters ：用于设置读写端口的数据总线的宽度以及 FIFO 的深度，写宽度“Write Width”我们设置为 8 位，写深度“Write Depth”我们设置为 256，注意此时 FIFO IP 核所能实现的实际深度却是 255；虽然读宽度“Read Width”能够设置成和 写宽度不一样的位宽，且此时读深度“Read Depth”会根据上面三个参数被动地自动设置成相应的值；但是我们还是将读宽度“Read Width”设置成和写宽度“Write Width”一样的位宽，这也是在实际应用中最常用的情况。

③ ECC模式：在本次的FIFO测试中不使用

④ Initiazation ：用于设置FIFO的复位等相关内容，默认同步复位，安全复位，full在复位时保持高电平有效。

step5 Status Flags 界面定制

“Status Flags”界面，这个界面用于设置用户自定义接口或者用于设定专用的输入口。

① Optional Flags : 可选信号，在这里可以勾选将空和将满信号，这里我们都勾上。

② Handshaking Options ：握手信号，这里我们使用不到，就不勾选了。

③ Programmable Flags : 可编程阈值，这里我们也不做选择。

step6 Data Counts

Data Counts界面用于设置 FIFO 内数据计数的输出信号，此信号表示当前在 FIFO 内存在多少个有效数据。为了更加方便地观察读/写过程，这里我们把读/写端口的数据计数都打开，且计数值总线的位宽设置为满位宽，即 8 位。

step7 Summary 

         IP核定制的最后一面永远是Summary界面，帮助我们进行一个回顾和检查。

三、IP核测试

        首先设计了写FIFO模块和读FIFO模块：

3.1 写fifo模块

//-------------------------------------<写fifo模块>--------------------------------
module fifo_wr(
//-------------------<信号输入>-----------------------input clk,               //系统时钟input rst,                   //复位信号input almost_empty,          //FIFO将空信号input almost_full ,          //FIFO将满信号//-------------------<信号输出>----------------------- output reg fifo_wr_en,         //FIFO写使能output reg [7:0] fifo_wr_data  //写入FIFO的数据
);//reg define
reg  [1:0]  state            ;  //动作状态
reg  		almost_empty_d0  ;  //almost_empty 延迟一拍
reg  		almost_empty_syn ;  //almost_empty 延迟两拍
reg  [3:0]  dly_cnt          ;  //延迟计数器//因为 almost_empty 信号是属于FIFO读时钟域的
//所以要将其同步到写时钟域中
always@( posedge clk ) beginif( rst ) beginalmost_empty_d0  <= 1'b0 ;almost_empty_syn <= 1'b0 ;endelse beginalmost_empty_d0  <= almost_empty ;almost_empty_syn <= almost_empty_d0 ;end
end//向FIFO中写入数据
always @(posedge clk ) beginif(rst) beginfifo_wr_en   <= 1'b0;fifo_wr_data <= 8'd0;state        <= 2'd0;dly_cnt      <= 4'd0;endelse begincase(state)2'd0: begin if(almost_empty_syn) begin  //如果检测到FIFO将被读空state <= 2'd1;          //就进入延时状态end elsestate <= state;end 2'd1: beginif(dly_cnt == 4'd10) begin  //延时10拍//原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时//延迟10拍以等待状态信号更新完毕                   dly_cnt    <= 4'd0;state      <= 2'd2;     //开始写操作fifo_wr_en <= 1'b1;     //打开写使能endelsedly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;end             2'd2: beginif(almost_full) begin      //等待FIFO将被写满fifo_wr_en   <= 1'b0;  //关闭写使能fifo_wr_data <= 8'd0;state        <= 2'd0;  //回到第一个状态endelse begin                 //如果FIFO没有被写满fifo_wr_en   <= 1'b1;  //则持续打开写使能fifo_wr_data <= fifo_wr_data + 1'd1;  //且写数据值持续累加endend default : state <= 2'd0;endcaseend
endendmodule

3.2 读FIFO模块

//-------------------------------------<读fifo模块>--------------------------------
module fifo_rd(
//-------------------<信号输入>-----------------------input               clk ,        // 时钟信号input               rst ,      // 复位信号input        [7:0]  fifo_dout ,  // 从FIFO读出的数据input               almost_full ,// FIFO将满信号input               almost_empty,// FIFO将空信号//-------------------<信号输出>----------------------- output  reg         fifo_rd_en   // FIFO读使能
);//reg define
reg  [1:0]  state           ;  // 动作状态
reg         almost_full_d0  ;  // fifo_full 延迟一拍
reg  		almost_full_syn ;  // fifo_full 延迟两拍
reg  [3:0]  dly_cnt         ;  // 延迟计数器//因为 fifo_full 信号是属于FIFO写时钟域的
//所以要将其同步到读时钟域中
always@( posedge clk ) beginif( rst ) beginalmost_full_d0  <= 1'b0 ;almost_full_syn <= 1'b0 ;endelse beginalmost_full_d0  <= almost_full ;almost_full_syn <= almost_full_d0 ;end
end//读出FIFO的数据
always @(posedge clk ) beginif(rst) beginfifo_rd_en <= 1'b0;state      <= 2'd0;dly_cnt    <= 4'd0;endelse begincase(state)2'd0: beginif(almost_full_syn)      //如果检测到FIFO将被写满state <= 2'd1;       //就进入延时状态elsestate <= state;end 2'd1: beginif(dly_cnt == 4'd10) begin  //延时10拍//原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时//延迟10拍以等待状态信号更新完毕dly_cnt <= 4'd0;state   <= 2'd2;        //开始读操作endelsedly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;end2'd2: beginif(almost_empty) begin     //等待FIFO将被读空fifo_rd_en <= 1'b0;    //关闭读使能state      <= 2'd0;    //回到第一个状态endelse                       //如果FIFO没有被读空fifo_rd_en <= 1'b1;    //则持续打开读使能end default : state <= 2'd0;endcaseend
endendmodule

3.3 顶层模块

module fifo_top(
//-------------------<信号输入>-----------------------input sys_clk,               //系统时钟input rst                    //复位信号
);wire [7:0] din;             //fifo的输入数据（写入的数据）wire wr_en;                 //写使能wire rd_en;                 //读使能wire [7:0] dout;            //fifo的输出数据（读出的数据）wire full;                  //fifo满信号wire almost_full;           //fifo将满标志wire empty;                 //fifo空标志wire almost_empty;          //fifo将空标志wire [7:0]rd_data_count;    //fifo写时钟域的数据计数wire [7:0]wr_data_count;    //fifo读时钟域的数据计数wire wr_rst_busy;wire rd_data_count;              //-------------------<IP核例化>-----------------------
fifo_exp1 fifo1 (.rst            (rst),                       // input wire rst.wr_clk         (sys_clk),                   // input wire wr_clk.rd_clk         (sys_clk),                   // input wire rd_clk.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.almost_full    (almost_full),               // output wire almost_full.empty          (empty),                     // output wire empty.almost_empty   (almost_empty),              // output wire almost_empty.rd_data_count  (rd_data_count),             // output wire [7 : 0] rd_data_count.wr_data_count  (wr_data_count),             // output wire [7 : 0] wr_data_count.wr_rst_busy    (wr_rst_busy),               // output wire wr_rst_busy.rd_rst_busy    (rd_rst_busy)                // output wire rd_rst_busy
);//例化写FIFO模块
fifo_wr  fifo_wr_u1(.clk            ( sys_clk    ),   // 写时钟.rst            ( rst  ),   // 复位信号.fifo_wr_en     ( wr_en )  , // fifo写请求.fifo_wr_data   ( din    ) , // 写入FIFO的数据.almost_empty   ( almost_empty ), // fifo空信号.almost_full    ( almost_full  )  // fifo满信号
);//例化读FIFO模块
fifo_rd  fifo_rd_u1(.clk          ( sys_clk    ),      // 读时钟.rst          ( rst  ),      // 复位信号.fifo_rd_en   ( rd_en ),      // fifo读请求.fifo_dout    ( dout  ),      // 从FIFO输出的数据.almost_empty ( almost_empty ),    // fifo空信号.almost_full  ( almost_full  )     // fifo满信号
);endmodule

3.4 测试模块

`timescale 1ns / 1psmodule tb_ip_fifo( );// Inputsreg sys_clk;reg rst;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)fifo_top  tb1_fifo_top (.sys_clk         (sys_clk), .rst             (rst));//Genarate the clkparameter PERIOD = 20;always beginsys_clk = 1'b0;#(PERIOD/2) sys_clk = 1'b1;#(PERIOD/2);end   initial begin// Initialize Inputsrst = 1;// Wait 100 ns for global reset to finish#100  ;rst = 0;// Add stimulus hereendendmodule

3.4 测试结果

        通过看到FIFO如我们预期的写入和读出数据，读出的数据满足先入先出的原则。

四、总结 

        本文总结了FIFO IP核的使用方法，给出了各个配置参数的具体含义及配置方式，并对相关的设计进行了测试。