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
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
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_flag
和pi_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_row
和cnt_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
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/