Quartus Ⅱ调用FIFO IP核方法实现求和(Mega Wizard)

摘要:本次实验学习记录主题为"FIFO_IP核实现算术求和",主要内容是上位机通过串口向FPGA发送一定规格的数字矩阵,FPGA对矩阵处理,按规定逻辑实现求和运算,将结果返回串口转发至上位机。

芯片型号:cyclone Ⅳ EP4CE10F17C8

平台工具:Quartus II 15.0 (64-bit)、Modelsim SE-64 10.4

最终框图:


【FIFO IP核概述及调用】

FIFO(First In First Out,先入先出) IP核作为数据缓冲区 ,能临时存储从数据源接收的数据,直到数据被其他处理单元再次读取。FIFO IP核通常用于多比特数据的跨时钟域处理 以及前后带宽不同步情况,平衡数据源和处理单元之间的速度差异,同时减少因速率不匹配而导致的等待时间或数据丢失。

FIFO IP核支持**同步(SCFIFO)和异步(DCFIFO)**操作模式,在同步模式下,读写操作在同一时钟域下进行。其支持可配置的参数(如数据宽度、深度等,调整以适应不同的需求。针对不同模式的选择,需要考虑方面包括时钟源、存取位宽和深度、以及一系列辅助设计的标志信号和操作信号。

下图为Quartus Ⅱ构建IP核能产生的全部接口,同步模式下,除了基本的外接口如数据位、时钟、写标志和读标志、计数位usedw外,还有清零操作(同步sclr/异步aclr)、满/近满/空/近空/校检eccstatus信号。而异步模式下,对于入栈和出栈辅助设计的分为了两批,具体结构如下图。

访问IP Catalog:在Quartus Ⅱ的菜单栏中,点击"Tools"选项,然后选择"IP Catalog"或者"MegaWizard Plug-In Manager",打开"fifo"选项即可。FIFO配置流程分为三部分:parameter settings、EDA和summary。如下图的配置界面,在其左上可以实时看到配置产生的接口,左下角看到FIFO在FPGA所产生的资源消耗。

在配置完基本参数后,FIFO还支持功能等设置趋向,rdreq读取驱动:信号作为请求,数据滞后一个时钟周期输出;信号作为确认,数据同时输出。存储方式和最大深度选择自动匹配即可。FIFO性能支持最大速度和最小消耗资源空间两种,可根据具体工程需求选定。黄色方框内是上级检测和下级检测保护电路,即存储栈满和栈空情况下的继续操作保护,最小面是存储空间位置选择,这里默认选定内部存储块即可。

异步模式下,还需配置速度和稳定性的优化方式,一是保持最低延迟,但需要同步时钟,没有亚稳态保护,占用资源空间最小,提供良好性能;二是具备两个同步阶段和良好的亚稳态保护,资源空间消耗中等;三是提高最佳的亚稳态保护,具有三个或更多同步阶段。

【IP核的同步、异步调用及仿真验证】

首先,构建一个同步FIFO_IP核,具体配置如下:

verilog 复制代码
almost_empty_value = 20,	//近空阈值
almost_full_value = 220,	//近满阈值
intended_device_family = "Cyclone IV E",	//FPGA IP核型号
lpm_numwords = 256,			//FIFO深度
lpm_showahead = "OFF",		//rdreq模式选择
lpm_type = "scfifo",		//FIFO工作模式(同步,单时钟模式)
lpm_width = 8,				//时钟源同步下,进入FIFO位宽
lpm_widthu = 8,				//计数位宽

IP的直接调用inst.v模块文件即可,实例化应用后,通过一个简单的录入核/退出核仿真(如下两图)。可以看到,程序启动,持续向核内写入256个8bit数据,仿真设定,写入周期是读入周期的四倍。

计数到20时,退出近空阈值,近空信号拉低;计数到220,达到近满阈值,近满信号拉高,等到写入完毕(这里计数单元usedw_sig溢出,显示8'h00),满信号拉高。下一周期,读标志拉高,读取一个8bit数据后,满信号拉低,持续读取完毕。

构建一个异步混合FIFO_IP核,具体配置如下:

verilog 复制代码
add_usedw_msb_bit = "ON",	//为计数位扩充一位,避免溢出
intended_device_family = "Cyclone IV E",	//FPGA IP核型号
lpm_numwords = 256,			//FIFO深度
lpm_showahead = "OFF",		//rdreq模式选择
lpm_type = "dcfifo_mixed_widths",	//混合异步fifo模式,意思是录入核和退出核位宽不一致
lpm_width = 8,				//录入核位宽
lpm_widthu = 9,				//计数位宽+1 = 9
lpm_widthu_r = 8,			//读取退出核位宽
lpm_width_r = 16,			//读取退出核计数位宽

异步模式,需要关注时序上的同步(打了两拍),50MHz的写时钟wrclk,25MHz的读时钟rdclk。这里由于写位宽和读位宽的不同,要区别写计数和读计数的计数方式。

【调用FIFO实现求和运算】

调用Quartus Ⅱ的IP核实现普通求和运算(便于Sobel算法FPGA学习),左边是求和模块的框图,需要复用两个相同位宽及深度的FIFO IP核,以m x n(5x4)矩阵为例,先对上三行求运算后,持续向下降一行运算,形成一个新的矩阵(m-2) x n形式。

FPGA运算:pi_data持续接入数据,先将第一、二行数据分布存入FIFO 1核和2核内,在第三行数据开始,同步读取两核一个数据,并对其作求和运算,通过po_data输出。求和的同时,将FIFO 2核内数据写入1核(1、2核此时为空),即第二行充当原先的第一行。第三行写入2核,第四行持续运算.......

时序图如下,pi_flagpi_data是串口rx模块接收上位机处理后的数据,录入此fifo_disp模块。矩阵的列和行计数器cnt_rowcnt_rol作为的顺序标志,方便确认求和准备。dout_flag条件(wr_en2)&&(rd_en),标志建立用于1核数据再次写入。借入标志信号sum_flag,触发求和po_data=data_out1+data_out2+pi_data

对应的各信号时序条件处理,代码如下:

verilog 复制代码
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose cnt_row counter
    if(!sys_rst)	cnt_row <=  8'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX)&&(pi_flag))	cnt_row <=  8'd0;
    else    if(pi_flag)	cnt_row <=  cnt_row + 1'b1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose cnt_col counter
    if(!sys_rst)	cnt_col <=  8'd0;
    else    if((cnt_col == CNT_COL_MAX)&&(pi_flag)&&(cnt_row == CNT_ROW_MAX))
        cnt_col <=  8'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX)&&(pi_flag))cnt_col <=  cnt_col + 1'b1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose wr_en1 drive
    if(!sys_rst)	wr_en1  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col == 8'd0) && (pi_flag))	wr_en1  <=  1'b1;
    else	wr_en1  <=  dout_flag;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose data_in1 sequence
    if(!sys_rst)	data_in1  <=  8'd0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col == 8'd0))	data_in1  <=  pi_data;
    else    if(dout_flag == 1'b1)	data_in1  <=  data_out2;
    else	data_in1  <=  data_in1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose wr_en2 drive
    if(!sys_rst)	wr_en2  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col >= 8'd1)&&(cnt_col <= CNT_COL_MAX - 1'b1)&&(pi_flag))
        wr_en2  <=  1'b1;
    else	wr_en2  <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose data_in2 sequence
    if(!sys_rst)	data_in2  <=  8'b0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col >= 8'd1)&&(cnt_col <= (CNT_COL_MAX - 1'b1)))
        data_in2  <=  pi_data;
    else	data_in2  <=  data_in2;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose rd_en drive
    if(!sys_rst)	 rd_en <=  1'b0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col >= 8'd2)&&(cnt_col <= CNT_COL_MAX)) rd_en <=  1'b1;
    else	rd_en <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose dout_flag sequence
    if(!sys_rst)	dout_flag <=  0;
    else    if((wr_en2)&&(rd_en))	dout_flag <=  1'b1;
    else	dout_flag <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose sum_flag sequence
    if(!sys_rst)	sum_flag <=  1'b0;
    else    if(rd_en)	sum_flag <=  1'b1;
    else    sum_flag <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose po_data result
    if(!sys_rst)	po_data  <=  8'b0;
    else    if(sum_flag)	po_data  <=  data_out1 + data_out2 + pi_data;
    else	po_data  <=  po_data;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose po_flag sequence
    if(!sys_rst)	po_flag <=  1'b0;
    else 	po_flag <=  sum_flag;
end

**仿真分析:**很明显,仿真图与上面的时序图一致,tx、rx模块在之前的实验经过仿真验证了。

最后,将程序下载至开发板,得到的数据与仿真结果一样,简单做了两次测试,结果都正确。

文献参考:

[1] FIFO求和实验 野火FPGA Verilog开发实战指南------基于Altera EP4CE10 征途Pro开发板 文档 (embedfire.com);

[2] 掰开揉碎讲 FIFO(同步FIFO和异步FIFO) - Doreen的FPGA自留地 - 博客园 (cnblogs.com)


本篇文章中使用的Verilog程序模块,若有需见网页左栏Gitee仓库链接:https://gitee.com/silly-big-head/little-mouse-funnyhouse/tree/FPGA-Verilog/