本文大部分内容来自Clifford E. Cummings的《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》,同时加上一些自己的一些理解,有兴趣的朋友可以阅读原文。

一、FIFO简介

  FIFO是英文First In First Out 的缩写,是一种先进先出的数据缓存器,它与普通存储器的区别是没有外部读写地址线,这样使用起来非常简单,但缺点就是只能顺序写入数据,顺序的读出数据,其数据地址由内部读写指针自动加1完成,不能像普通存储器那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。

用途1:

  异步FIFO读写分别采用相互异步的不同时钟。在现代集成电路芯片中,随着设计规模的不断扩大,一个系统中往往含有数个时钟,多时钟域带来的一个问题就是,如何设计异步时钟之间的接口电路。异步FIFO是这个问题的一种简便、快捷的解决方案,使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据。

用途2:

  对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO,例如单片机位8位数据输出,而DSP可能是16位数据输入,在单片机与DSP连接时就可以使用FIFO来达到数据匹配的目的。

二、分类

  同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟,在时钟沿来临时同时发生读写操作;

  异步FIFO是指读写时钟不一致,读写时钟是互相独立的。

三、FIFO的常见参数

  • FIFO的宽度:即FIFO一次读写操作的数据位;
  • FIFO的深度:指的是FIFO可以存储多少个N位的数据(如果宽度为N)。
  • 满标志:FIFO已满或将要满时由FIFO的状态电路送出的一个信号,以阻止FIFO的写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出(overflow)。
  • 空标志:FIFO已空或将要空时由FIFO的状态电路送出的一个信号,以阻止FIFO的读操作继续从FIFO中读出数据而造成无效数据的读出(underflow)。
  • 读时钟:读操作所遵循的时钟,在每个时钟沿来临时读数据。
  • 写时钟:写操作所遵循的时钟,在每个时钟沿来临时写数据。

  • 读写指针的工作原理

  读指针:总是指向下一个将要被写入的单元,复位时,指向第1个单元(编号为0)。

  写指针:总是指向当前要被读出的数据,复位时,指向第1个单元(编号为0)

  • FIFO的“空”/“满”检测

  FIFO设计的关键:产生可靠的FIFO读写指针和生成FIFO“空”/“满”状态标志。

  当读写指针相等时,表明FIFO为空,这种情况发生在复位操作时,或者当读指针读出FIFO中最后一个字后,追赶上了写指针时,如下图所示:

当读写指针再次相等时,表明FIFO为满,这种情况发生在,当写指针转了一圈,折回来(wrapped around)又追上了读指针,如下图:

为了区分到底是满状态还是空状态,可以采用以下方法:

    

方法1:在指针中添加一个额外的位(extra bit),当写指针增加并越过最后一个FIFO地址时,就将写指针这个未用的MSB加1,其它位回零。对读指针也进行同样的操作。此时,对于深度为2n的FIFO,需要的读/写指针位宽为(n+1)位,如对于深度为8的FIFO,需要采用4bit的计数器,0000~1000、1001~1111,MSB作为折回标志位,而低3位作为地址指针。

如果两个指针的MSB不同,说明写指针比读指针多折回了一次;如r_addr=0000,而w_addr = 1000,为满。

如果两个指针的MSB相同,则说明两个指针折回的次数相等。其余位相等,说明FIFO为空;

3.二进制FIFO指针的考虑

  将一个二进制的计数值从一个时钟域同步到另一个时钟域的时候很容易出现问题,因为采用二进制计数器时所有位都可能同时变化,在同一个时钟沿同步多个信号的变化会产生亚稳态问题。而使用格雷码只有一位变化,因此在两个时钟域间同步多个位不会产生问题。所以需要一个二进制到gray码的转换电路,将地址值转换为相应的gray码,然后将该gray码同步到另一个时钟域进行对比,作为空满状态的检测。

4. 使用gray码进行对比,如何判断“空”与“满”

  使用gray码解决了一个问题,但同时也带来另一个问题,即在格雷码域如何判断空与满。

  对于“空”的判断依然依据二者完全相等(包括MSB);

  而对于“满”的判断,如下图,由于gray码除了MSB外,具有镜像对称的特点,当读指针指向7,写指针指向8时,除了MSB,其余位皆相同,不能说它为满。因此不能单纯的只检测最高位了,在gray码上判断为满必须同时满足以下3条:

  • wptr和同步过来的rptr的MSB不相等,因为wptr必须比rptr多折回一次。
  • wptr与rptr的次高位不相等,如上图位置7和位置15,转化为二进制对应的是0111和1111,MSB不同说明多折回一次,111相同代表同一位置。
  • 剩下的其余位完全相等。

<ignore_js_op>

5.总体实现

系统的总体框图如下:

1)顶层模块

  1. module AsyncFIFO
  2. #(parameter ASIZE = 4,    //地址位宽
  3. parameter DSIZE = 8)    //数据位宽
  4. (
  5. input  [DSIZE-1:0] wdata,
  6. input              winc, wclk, wrst_n,  //写请求信号,写时钟,写复位
  7. input              rinc, rclk, rrst_n,  //读请求信号,读时钟,读复位
  8. output [DSIZE-1:0] rdata,
  9. output             wfull,
  10. output             rempty
  11. );
  12. wire [ASIZE-1:0] waddr, raddr;
  13. wire [ASIZE:0]   wptr, rptr, wq2_rptr, rq2_wptr;        /************************************************************
  14. * In order to perform FIFO full and FIFO empty tests using
  15. * this FIFO style, the read and write pointers must be
  16. * passed to the opposite clock domain for pointer comparison
  17. *************************************************************/
  18. /*在检测“满”或“空”状态之前,需要将指针同步到其它时钟域时,使用格雷码,可以降低同步过程中亚稳态出现的概率*/
  19. sync_r2w I1_sync_r2w(
  20. .wq2_rptr(wq2_rptr),
  21. .rptr(rptr),
  22. .wclk(wclk),
  23. .wrst_n(wrst_n));
  24. sync_w2r I2_sync_w2r (
  25. .rq2_wptr(rq2_wptr),
  26. .wptr(wptr),
  27. .rclk(rclk),
  28. .rrst_n(rrst_n));
  29. /*
  30. *  DualRAM
  31. */
  32. DualRAM #(DSIZE, ASIZE) I3_DualRAM(
  33. .rdata(rdata),
  34. .wdata(wdata),
  35. .waddr(waddr),
  36. .raddr(raddr),
  37. .wclken(winc),
  38. .wclk(wclk));
  39. /*
  40. *  空、满比较逻辑
  41. */
  42. rptr_empty #(ASIZE) I4_rptr_empty(
  43. .rempty(rempty),
  44. .raddr(raddr),
  45. .rptr(rptr),
  46. .rq2_wptr(rq2_wptr),
  47. .rinc(rinc),
  48. .rclk(rclk),
  49. .rrst_n(rrst_n));
  50. wptr_full #(ASIZE) I5_wptr_full(
  51. .wfull(wfull),
  52. .waddr(waddr),
  53. .wptr(wptr),
  54. .wq2_rptr(wq2_rptr),
  55. .winc(winc),
  56. .wclk(wclk),
  57. .wrst_n(wrst_n));
  58. endmodule

复制代码

2)DualRAM模块

  1. module DualRAM
  2. #(
  3. parameter DATA_SIZE = 8,   // 数据位宽
  4. parameter ADDR_SIZE = 4   // 地址位宽
  5. )
  6. (
  7. input                       wclken,wclk,
  8. input      [ADDR_SIZE-1:0]  raddr,     //RAM read address
  9. input      [ADDR_SIZE-1:0]  waddr,     //RAM write address
  10. input      [DATA_SIZE-1:0]  wdata,    //data input
  11. output     [DATA_SIZE-1:0]  rdata      //data output
  12. );
  13. localparam RAM_DEPTH = 1 << ADDR_SIZE;   //RAM深度 = 2^ADDR_WIDTH
  14. reg [DATA_SIZE-1:0] Mem[RAM_DEPTH-1:0];
  15. always@(posedge wclk)
  16. begin
  17. if(wclken)
  18. Mem[waddr] <= wdata;
  19. end
  20. assign rdata =  Mem[raddr];
  21. endmodule

复制代码

3)同步模块

  1. module sync_r2w
  2. #(parameter ADDRSIZE = 4)
  3. (
  4. output reg [ADDRSIZE:0] wq2_rptr,
  5. input      [ADDRSIZE:0] rptr,
  6. input                       wclk, wrst_n
  7. );
  8. reg [ADDRSIZE:0] wq1_rptr;
  9. always @(posedge wclk or negedge wrst_n)
  10. if (!wrst_n)
  11. {wq2_rptr,wq1_rptr} <= 0;
  12. else
  13. {wq2_rptr,wq1_rptr} <= {wq1_rptr,rptr};
  14. endmodule

复制代码

4)同步模块2

  1. module sync_w2r
  2. #(parameter ADDRSIZE = 4)
  3. (
  4. output reg  [ADDRSIZE:0] rq2_wptr,
  5. input         [ADDRSIZE:0] wptr,
  6. input         rclk, rrst_n
  7. );        reg [ADDRSIZE:0] rq1_wptr;
  8. always @(posedge rclk or negedge rrst_n)
  9. if (!rrst_n)
  10. {rq2_wptr,rq1_wptr} <= 0;
  11. else
  12. {rq2_wptr,rq1_wptr} <= {rq1_wptr,wptr};
  13. endmodule

复制代码

5)空判断逻辑

  1. module rptr_empty
  2. #(parameter ADDRSIZE = 4)
  3. (
  4. output reg rempty,
  5. output     [ADDRSIZE-1:0] raddr,
  6. output reg [ADDRSIZE :0]  rptr,
  7. input       [ADDRSIZE :0] rq2_wptr,
  8. input       rinc, rclk, rrst_n);
  9. reg  [ADDRSIZE:0] rbin;
  10. wire [ADDRSIZE:0] rgraynext, rbinnext;
  11. wire  rempty_val;
  12. //-------------------
  13. // GRAYSTYLE2 pointer: gray码读地址指针
  14. //-------------------
  15. always @(posedge rclk or negedge rrst_n)
  16. if (!rrst_n)
  17. begin
  18. rbin <= 0;
  19. rptr <= 0;
  20. end
  21. else
  22. begin
  23. rbin <= rbinnext ;
  24. rptr <= rgraynext;
  25. end
  26. // gray码计数逻辑
  27. assign rbinnext = !rempty ? (rbin + rinc) : rbin;
  28. assign rgraynext = (rbinnext>>1) ^ rbinnext;      //二进制到gray码的转换
  29. assign raddr = rbin[ADDRSIZE-1:0];
  30. //---------------------------------------------------------------
  31. // FIFO empty when the next rptr == synchronized wptr or on reset
  32. //---------------------------------------------------------------
  33. /*
  34. *   读指针是一个n位的gray码计数器,比FIFO寻址所需的位宽大一位
  35. *   当读指针和同步过来的写指针完全相等时(包括MSB),说明二者折回次数一致,FIFO为空
  36. *
  37. */
  38. assign rempty_val = (rgraynext == rq2_wptr);
  39. always @(posedge rclk or negedge rrst_n)
  40. if (!rrst_n)
  41. rempty <= 1'b1;
  42. else
  43. rempty <= rempty_val;
  44. endmodule

复制代码

6)满判断逻辑

  1. module wptr_full
  2. #(
  3. parameter ADDRSIZE = 4
  4. )
  5. (
  6. output reg                wfull,
  7. output     [ADDRSIZE-1:0] waddr,
  8. output reg [ADDRSIZE :0]  wptr,
  9. input      [ADDRSIZE :0]  wq2_rptr,
  10. input                     winc, wclk, wrst_n);
  11. reg  [ADDRSIZE:0] wbin;
  12. wire [ADDRSIZE:0] wgraynext, wbinnext;
  13. wire wfull_val;
  14. // GRAYSTYLE2 pointer
  15. always @(posedge wclk or negedge wrst_n)
  16. if (!wrst_n)
  17. begin
  18. wbin <= 0;
  19. wptr <= 0;
  20. end
  21. else
  22. begin
  23. wbin <= wbinnext;
  24. wptr <= wgraynext;
  25. end
  26. //gray 码计数逻辑
  27. assign wbinnext  = !wfull ? wbin + winc : wbin;
  28. assign wgraynext = (wbinnext>>1) ^ wbinnext;
  29. assign waddr = wbin[ADDRSIZE-1:0];
  30. /*由于满标志在写时钟域产生,因此比较安全的做法是将读指针同步到写时钟域*/
  31. /**/
  32. //------------------------------------------------------------------
  33. // Simplified version of the three necessary full-tests:
  34. // assign wfull_val=((wgnext[ADDRSIZE] !=wq2_rptr[ADDRSIZE] ) &&
  35. // (wgnext[ADDRSIZE-1] !=wq2_rptr[ADDRSIZE-1]) &&
  36. // (wgnext[ADDRSIZE-2:0]==wq2_rptr[ADDRSIZE-2:0]));
  37. //------------------------------------------------------------------
  38. assign wfull_val = (wgraynext=={~wq2_rptr[ADDRSIZE:ADDRSIZE-1],
  39. wq2_rptr[ADDRSIZE-2:0]});
  40. always @(posedge wclk or negedge wrst_n)
  41. if (!wrst_n)
  42. wfull <= 1'b0;
  43. else
  44. wfull <= wfull_val;
  45. endmodule

复制代码

P.S : 在quartus中有异步FIFO IP核,为安全起见推荐使用IP核定制FIFO,本文的目的只是作为思路参考。

转载:http://www.openhw.org/module/forum/thread-596561-1-1.html

异步FIFO的FPGA实现的更多相关文章

  1. 异步FIFO总结

    异步FIFO总结 异步FIFO的基本概念 异步FIFO读写分别采用相互异步的不同时钟,使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据 FIFO的常见参数 FIFO的宽度:即FIFO ...

  2. 【iCore、iCore2、iBoard例程】【异步FIFO跨时钟域通信(通过ARM 读FPGA FIFO)】

    欢迎访问电子工程师学堂,以便了解更多内容:http://www.eeschool.org 一.本实验基于iCore2 完成,通过简单改动,即可用在 iCore 核心板.iBoard 电子学堂上. iC ...

  3. 基于FPGA的异步FIFO验证

    现在开始对上一篇博文介绍的异步FIFO进行功能验证,上一篇博文地址:http://blog.chinaaet.com/crazybird/p/5100000872 .对异步FIFO验证的平台如图1所示 ...

  4. 基于FPGA的异步FIFO设计

    今天要介绍的异步FIFO,可以有不同的读写时钟,即不同的时钟域.由于异步FIFO没有外部地址端口,因此内部采用读写指针并顺序读写,即先写进FIFO的数据先读取(简称先进先出).这里的读写指针是异步的, ...

  5. 异步fifo的设计(FPGA)

    本文首先对异步 FIFO 设计的重点难点进行分析 最后给出详细代码 一.FIFO简单讲解 FIFO的本质是RAM, 先进先出 重要参数:fifo深度(简单来说就是需要存多少个数据)           ...

  6. 异步FIFO空满设计延迟问题

    由于设计的时候读写指针用了至少两级寄存器同步,同步会消耗至少两个时钟周期,势必会使得判断空或满有所延迟,这会不会导致设计出错呢? 异步FIFO通过比较读写指针进行满空判断,但是读写指针属于不同的时钟域 ...

  7. 异步FIFO跨时钟域亚稳态如何解决?

    跨时钟域的问题:前一篇已经提到要通过比较读写指针来判断产生读空和写满信号,但是读指针是属于读时钟域的,写指针是属于写时钟域的,而异步FIFO的读写时钟域不同,是异步的,要是将读时钟域的读指针与写时钟域 ...

  8. 异步fifo with 读控制

    之前做LDPC编码器时,学习了一下异步FIFO的相关知识,主要参考了http://www.cnblogs.com/aslmer/p/6114216.html,并在此基础上根据项目需求,添加了一个读控制 ...

  9. 异步FIFO中空满信号如何产生?

    异步FIFO中,空满信号该如何产生呢? 在复位的时候,读指针和写指针相等,读空信号有效(这里所说的指针其实就是读地址.写地址)当读指针赶上写指针的时候,写指针等于读指针意味着最后一个数据被读完,此时读 ...

随机推荐

  1. combogrid翻页后保持显示内容为配置的textField解决办法

    easyui的combogrid当配置pagination为true进行分页时,当datagrid加载其他数据页,和上一次选中的valueField不匹配时,会导致combogrid直接显示value ...

  2. 多种非接触卡 ATQA 字节说明

      原文地址 13.56 MHz RFID Software An Open Source implementation of an NFC stack, and various related ut ...

  3. 虚机启动失败-Event 1069

    Failover cluster中的一台虚机启动失败. 报错如下: 文字信息关键字如下: Event 1069; Event 21502; 0x80004005; Cluster resource ' ...

  4. C++数组参数应用方式探讨(转)

    对于经验丰富的编程人员来说,C++编程语言应该是他们经常使用于程序开发的一种实用性语言.那么,在C++中,C++数组参数永远不会按值传递.它是传递第一个元素(准确地说是第0个)的指针. 例如,如下声明 ...

  5. Cognos开发ContentManagerServiceStub不能转换为Stub

    Cognos SDK开发过程中遇到的小错误详细请看下图 另:附加了详细的错误信息 Exception in thread "main" java.lang.ClassCastExc ...

  6. android路径获取

    //内部路径 Environment.getDataDirectory()=/data Environment.getDownloadCacheDirectory()=/cache Environme ...

  7. Python 转义符

    定义字符串前面我们讲解了什么是字符串.字符串可以用''或者""括起来表示.如果字符串本身包含'怎么办?比如我们要表示字符串 I'm OK ,这时,可以用" "括 ...

  8. 百度地图API拾取坐标网址

    http://api.map.baidu.com/lbsapi/getpoint/index.html

  9. sqlserver2008 R2中查找未使用过的索引

    转自:http://blog.csdn.net/yangzhawen/article/details/7247393 sqlserver2008 R2中查找未使用过的索引: o.name AS 表名 ...

  10. 比较全的log4j示例

    <?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?> <configuration status="off& ...