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 ) begin
	if( rst ) begin
		almost_empty_d0  <= 1'b0 ;
		almost_empty_syn <= 1'b0 ;
	end
	else begin
		almost_empty_d0  <= almost_empty ;
		almost_empty_syn <= almost_empty_d0 ;
	end
end

//向FIFO中写入数据
always @(posedge clk ) begin
    if(rst) begin
        fifo_wr_en   <= 1'b0;
        fifo_wr_data <= 8'd0;
        state        <= 2'd0;
		dly_cnt      <= 4'd0;
    end
    else begin
        case(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 
                else
                    state <= state;
            end 
			2'd1: begin
                if(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
				end
				else
					dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
            end             
			2'd2: begin
                if(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
                end
                else 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
                end
            end 
			default : state <= 2'd0;
        endcase
    end
end

endmodule

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 ) begin
	if( rst ) begin
		almost_full_d0  <= 1'b0 ;
		almost_full_syn <= 1'b0 ;
	end
	else begin
		almost_full_d0  <= almost_full ;
		almost_full_syn <= almost_full_d0 ;
	end
end

//读出FIFO的数据
always @(posedge clk ) begin
    if(rst) begin
        fifo_rd_en <= 1'b0;
		state      <= 2'd0;
		dly_cnt    <= 4'd0;
    end
    else begin
        case(state)
            2'd0: begin
                if(almost_full_syn)      //如果检测到FIFO将被写满
                    state <= 2'd1;       //就进入延时状态
                else
                    state <= state;
            end 
			2'd1: begin
                if(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
				end
				else
					dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
            end
		    2'd2: begin
                if(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
                end
                else                       //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;
        endcase
    end
end

endmodule

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 / 1ps

module tb_ip_fifo( );
    // Inputs
    reg sys_clk;
    reg rst;
    
    // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
    fifo_top  tb1_fifo_top (
        .sys_clk         (sys_clk), 
        .rst             (rst)
    );
    
    //Genarate the clk
    parameter PERIOD = 20;

    always begin
        sys_clk = 1'b0;
        #(PERIOD/2) sys_clk = 1'b1;
        #(PERIOD/2);
    end   
   
    initial begin
        // Initialize Inputs
        rst = 1;
        // Wait 100 ns for global reset to finish
        #100  ;
        rst = 0;
        // Add stimulus here
        
    end

endmodule

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。

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