FPGA的FIFO实现过程资料

FPGA的FIFO实现过程

FIFO队列是一种数据缓冲器，用于数据的缓存。他是一种先入先出的存储

器，即最先写入的数据，最先读。FIFO的参数有数据深度和数据宽度。数据宽

度是指存储数据的宽度。深度是指存储器可以存储多少个数据。

FIFO队列有两个标志位。一个满和一个空标志位。分别表示FIFO是数据写

满，还是数据读空。在数据写满状态下，数据写入是不允许的，因此在这个状

态下，写入的数据无效。而数据读空状态下，数据读取是不允许的，因此在这

个状态下，读取的数据无效。

FIFO队列有两个位置指示指针。一个是写指针，指向队列的第一个存储单

元。一个读指针，指向队列的最后一个存储单元。当有写命令的时候，数据写

入写指针指向的存储单元，然后指针加一。当有读命令的时候，读指针加一，

在读出读指针指向的存储单元的数据。这里读命令，指针要加一，是定义读数

据，是读出读指针的下一个存储单元的数据。

肖写指针和读指针的指向存储单元一样时，这时候根据之前是读命令还是

写命令来判断队列是空，还是满。在读命令，两个指针值一样时候，则队列

空。在写命令，两个指针值一样，则队列满。

以后就开始写代码实现上诉FIFO队列，并进行仿真。

以下，是实现数据宽度为8.深度为2八4的深度的FIFO。。读/写时钟是同

一个。

modulefifo_cus

做

parameterN=8,〃数据宽度

parameterM=4〃fifo的地址宽度

)

〃对队列的参数设置。建议这样写，便于以后代码的移植。

〃如果以后要实现数据宽度为16,深度为2〃8的FIFO。只需改N=16M=8

即可

inputelk,//输入时钟

inputrst_n,//输入复位信号

inputwr,//输入与使能

input[N-l:0]wdata,〃输入输入

inputrd,〃输入读便能

outputempty,〃输出fifo空标志

outputful1,〃输出fifo满标志

output[N-l:0]r_data〃输出读取的数据

)；

//寄存器组,用来充当FIFO队列

reg[N-l:0]array_reg[2**M-1:0];

〃定义写指针，指示当前写的位置，下一个状态写的位置，写位置的下一

个位置

reg[M-l:0]wptrreg,w_ptr_next,w_ptr_succ;

〃定义读指针，指示当前读的位置，下一个状态读的位置，读位置的下一

个位置

reg[M-l:0]r_ptr_reg,r_ptr_next,r_ptr_succ;

〃定义FIFO满和空的信号

rogfull_rog,fulInoxt;

regempty_reg,empty_next;

wirewren;

〃数据的写入，在数据的上升沿的时候，有写使能信号，将数据写入。而

always©(posedgeelk)begin

if(wr_en)

arrayreg[wptrreg]<=wdata;

else

arrayreg[wptrreg]<=array_reg[w_ptr_reg];

end

//数据的读取。数据读取是一宜在读取的，不过读取的是之前的值。

assignrdcitci=array_reg[r_ptr_reg];

assignwren=wr&^full_reg;

/*状态跳转

在复位信号有效，读/写指针都指向0地址。此时队列状态为空。

在复位不有效，且在时钟的上升沿，读/写指针的值，队列空，满状态的值

又下一状态决定。否则保持*/

always©(posedgeelk)begin

if(!rst_n)

begin

w_ptr_reg<=0;

r_ptr_reg<=0;

full_reg<=rbO;

empty_reg<=1'bl;

end

else

begin

wptr_reg<=w_ptr_next;

r_ptr_reg<=r_ptr_next;

fullreg<=fullnext;

empty_reg<=empty_next;

end

end

/*与命令：在与命令卜，如果队列小为满，将当前与指针的下一个指针赋

值给读指针的下一个状态，同时将队列的空标志置0。

然后判断写指针的下一个指针是否和读指针的值一样。一样的话，说明，

队列为满。否则不为满。

*/

2'biO:

begin

if(^fullreg)

begin

w_ptr_next=w_ptr_succ;

empty_next=0;

if(w_pli_succ—i_pli_reg)

full_next=rb1;

else

full_next=rbO;

end

end

/*读写命令：在读写命令下，直接改变时应指针的下一个状态值。

*/

21611:

begin

w_ptr_next=w_ptr_succ：

r_ptr_next=r.ptrsucc;

endeelse

end

//满/空输出信号的赋值。

assignfull=full_reg;

assignempty=emptyreg;

endmodule

好了，终于搞定FIFO的代码了。下面来仿真看看结果。

以下分析仿真的结果:

写数据:

从下图仿真，可看出。在最开始的时候，队列是空的状态。读指针和写指

针都是0。在写使能情况下，在每个时钟的上升沿（蓝色线），数据写入队列

array_reg中。同时，写指针加一。而读指针是不变的。

|2(X4[2151

l—1

3・180ns,190ns200ns210ns

11・11RIlliiiii■■illiii

................

1吆empty0

Qfull0

...........

.elk1________r________1

1

Qs11

A■w-ata[7:0]/2d

130/<1

.......--------

S0j•__i

»Mr_ptr_r*e[3:0]0-------------1

▼■•r»*y_»«r(150,70)(X,X,X,X.X,X.X,XzX,I,X,X,工Xx.x,x,x,x,x,x][X,X,X,3J,X,…[x,x,

>，[15,7:0】X

A、[1<70]X

A~[13,7:0]X

>，[12,7:0]X

A，[11,7:0]X

>~[10,7:。】X

li■]

>■07:0】X

>~[«,70]X

A，[LTO]X

>y[6,7:0]X

A~[5"：0]XI

>，[4,7:0]13X

»、[3,TO]Z43X

〉，[2,7:0]249-IT

>■[1,70]

Z41X-

>，[0,1:0]4"HFL

二二二二-i'll「二!三“丫一L

1

XI;245240ns

从卜图发现，在队列满状态下，即使与使能，FIFO也小接受与数据。依IH

保持原来的值。

340ns360M370ns380

1....

0

&full1

二____1—1

遥cik0________111____■____1

e“51

1

242:9)1也1:245):250)

＞Zw_p*r_r«K(3:0)0

—]11

＞0]0

一一i・

11...

▼,•»r»y_r«t[150,70]【246,9,12,13,12,1-[X.9,12,13U3-1

＞，[15,T：0]246*X

＞，[14,7:0]9X＜_

—

＞，[13,7:0]12

1

AW[12,7:0]13

＞，[!L7:0]13

A，[10,7:0]6

■

＞.[9,70]13

＞.[8,70]

1____

＞，[7,7:0】Z42

＞，[6,70]245

＞，(5,70]13

—

＞巾[4,7:0]13

»Rf[3,70]243

＞，[2.70]249

＞2【L70]241

—■

＞，[0,70]4

4HHHHHHHHHM1A

XI:4013452

读数据

从下图中看出，最开始，数据读出是有值的。为初始化的读指针指向的存

储单元的值。这里为4。

当有读命令时候，在时钟的上升沿（蓝色线），读指针加一。读取的数据

随之改变。

在数据读完后，即队列为空状态下。此时对数据的读取是无效的。从图中

可看出，读完后，读指针为0.回到存储器的第一个地址。而此时读出的值是无

效的。

Ax_d*U[70]

>■r.ptr.r«t（3：0）

▼，•rtfcy-r«K（15:0,7:0]

>.[】，ru]

），[14,7:0]

»f[13,70]

»〜[12,70]

A.[IL7：0]

>I[10,70]

»，[9,7:0】

>Rf[8,7:0]

>，[7,7:0]

>Rf[6,7:0】

>f[5,7:0】

>，[4,70]

A〜E7:0]

>.[2,TO]

»■[1,7:0】

>M07:0）

>，w_P»»_r«t[30]

4swi、・Ao♦•r，•ci

XI634.457ns

读写命令:

在同时读同时写的时候。从下图，可看出，结果有问题了。在队列为空的

状态下，此时读取的值，应为此时写的数据才对了。但是从图中，可看出，读

取的值不是当前写的数据的值。而是之前存储在FIFO中的值。这样的话，读取

的值就不是正确的值了。

1EZL'E'

1•BeValue半91,,,J720ns1730ns740ns....I7：

____.111111111—■

1I

Qfun0

■1

Qcik1——11__1

11--------------------------

H1近|1

1—

.rd1__1

»蟹0]1312*2d¥

、1

r