一、FIFO原理与设计
查看Xilinx官方FIFO IP核，其主要的信号有时钟信号、写端口信号、读端口信号，其中，写端口信号包括写满信号full、写使能信号wr_en、写数据输入din、几乎满信号almost_full；读端口信号包括读空信号empty、读使能信号rd_en、读数据输出dout、几乎空信号almost_empty。几乎满信号almost_full与几乎空信号almost_empty是可选的。
根据Xilinx官方的FIFO IP核，可以仿照写一个简单的同步FIFO（读写在同一时钟域）。在这里我们设计一个宽度为DATA_WIDTH，深度为DATA_DEPTH的同步FIFO，其输入输出端口如下：
-
输入端口
clk：时钟信号
rst_n：异步复位信号
wr_en：写使能信号，在wr_en为高电平，且满信号full为低电平期间，数据写入FIFO；
rd_en：读使能信号，在rd_en高电平，且空信号empty为低电平期间，从FIFO中读出数据；
din：写数据输入，位宽为DATA_WIDTH； -
输出端口
dout：读数据输出，位宽为DATA_WIDTH；
full：写满信号，当FIFO中存储的数据个数达到DATA_DEPTH时，full为高电平，表示FIFO写满了，不再向FIFO写入数据（即使写使能wr_en为高电平）；当FIFO中存储的数据个数小于DATA_DEPTH时，full为低电平，表示可以继续往FIFO中写入数据；
empty：读空信号，当FIFO中存储的数据个数为0时，empty为高电平，表示FIFO中已无数据，不再从FIFO中读出数据（即使读使能rd_en为高电平）；当FIFO中存储的数据个数大于0时，empty为低电平，表示FIFO中还有数据，可以继续从FIFO中读出数据；
那么，FIFO本质还是一个存储器，在这里使用一个宽度为DATA_WIDTH，深度为DATA_DEPTH的SRAM实现存储，使用写指针地址wr_ptr控制写地址，每进行一次写操作，写指针地址自加1，使用读指针地址rd_ptr控制读地址，每进行一次读操作，读指针地址自加1。在写使能信号为高电平，FIFO未写满（full为低电平）时，执行写操作；在读使能信号为高电平，FIFO未读空（empty为低电平）时，执行读操作。
//===========write pointer address===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
wr_ptr <= 'd0;
else if(wr_en && !full)
wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
else
wr_ptr <= wr_ptr;
end
//===========read pointer address===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rd_ptr <= 'd0;
else if(rd_en && !empty)
rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
else
rd_ptr <= rd_ptr;
end
那么，用一个计数器cnt来计算当前FIFO中存储的数据。计数器的控制分为四种情况：
（1）单时钟只执行写操作：当FIFO只进行写操作，而不执行读操作，即写使能wr_en为高电平，写满信号full为低电平，读使能rd_en为低电平时，计数器cnt自加1；
（2）单时钟只执行读操作：当FIFO只进行读操作，而不进行写操作，即读使能rd_en为高电平，读空信号empty为低电平，写使能wr_en为低电平时，计数器自加1；
（3）单时钟同时执行写操作与地操作：当FIFO同时执行写操作与读操作，即写使能wr_en为高电平，写满信号full为低电平，读使能rd_en为高电平，读空信号empty为低电平时，计数器cnt不变；
（4）单时钟既不执行写操作也不执行读操作：当FIFO既不执行写操作也不执行读操作时，计数器cnt不变；
//===========counter===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cnt <= 'd0;
else if(wr_en && !full && !rd_en)
cnt <= cnt + 1'b1;
else if(rd_en && !empty && !wr_en)
cnt <= cnt - 1'b1;
else
cnt <= cnt;
end
另外，用FIFO中存储的数据计数器cnt来判断写满信号full、读空信号empty、几乎满信号almost_full、几乎空信号almost_empty。当计数器cnt为0时，表示FIFO中数据为空，读空信号empty为高电平；当计数器cnt为1时，表示FIFO中数据几乎空，几乎空信号almost_empty为高电平；当计数器为DATA_DEPTH-1时，表示FIFO中的存储的数据个数几乎为满，则几乎满信号almost_full信号为高电平；当计数器为DATA_DEPTH时，表示FIFO中存储的数据个数满了，则写满信号full为高电平。
//===========full===========//
assign full = (cnt == DATA_DEPTH) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========empty===========//
assign empty = (cnt == 'd0) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========almost_full===========//
assign almost_full = (cnt == DATA_DEPTH-1) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========almost_empty===========//
assign almost_empty = (cnt == 'd1) ? 1'b1 : 1'b0;
最后，根据读操作以及读地址，从FIFO中读出数据；根据写操作及写地址，将数据写入FIFO。
//===========read data===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
dout_r <= 'd0;
else if(rd_en && !empty)
dout_r <= mem[rd_ptr];
end
assign dout = dout_r;
//===========write data===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
for(i=0;i<DATA_DEPTH;i=i+1) begin
mem[i] <= 'd0;
end
else if(wr_en && !full)
mem[wr_ptr] <= din;
end
二、完整代码与仿真结果
同步FIFO完整代码如下：
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/05/16 09:23:07
// Design Name:
// Module Name: sync_fifo
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description: 同步FIFO
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module sync_fifo
#(
parameter DATA_WIDTH = 8,
parameter DATA_DEPTH = 8,
parameter CNT_WIDTH = $clog2(DATA_DEPTH)
)
(
input clk ,
input rst_n ,
input wr_en ,
input [DATA_WIDTH-1:0] din ,
input rd_en ,
output [DATA_WIDTH-1:0] dout ,
output almost_full ,
output full ,
output almost_empty,
output empty
);
integer i;
reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [DATA_DEPTH-1:0];
reg [CNT_WIDTH:0] cnt;
reg [CNT_WIDTH-1:0] wr_ptr,rd_ptr;
reg [DATA_WIDTH-1:0] dout_r;
//===========write pointer address===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
wr_ptr <= 'd0;
else if(wr_en && !full)
wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
else
wr_ptr <= wr_ptr;
end
//===========read pointer address===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
rd_ptr <= 'd0;
else if(rd_en && !empty)
rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
else
rd_ptr <= rd_ptr;
end
//===========counter===========//
//原版
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cnt <= 'd0;
else if(wr_en && !full && !rd_en)
cnt <= cnt + 1'b1;
else if(rd_en && !empty && !wr_en)
cnt <= cnt - 1'b1;
else
cnt <= cnt;
end
/*
//修改版
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cnt <= 'd0;
else if(wr_en && !full && !rd_en) //写使能wr_en有效，读使能rd_en无效
cnt <= cnt + 1'b1;
else if(wr_en && !full && rd_en && empty) //rd_en为高电平，但是empty为高电平，所以实际上读使能rd_en无效
cnt <= cnt + 1'b1;
else if(rd_en && !empty && !wr_en) //读使能rd_en有效，写使能wr_en无效
cnt <= cnt - 1'b1;
else if(rd_en && !empty && wr_en && full) //wr_en为高电平，但是full为高电平，所以实际上写使能wr_en无效
cnt <= cnt - 1'b1;
else
cnt <= cnt;
end
*/
//===========full===========//
assign full = (cnt == DATA_DEPTH) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========empty===========//
assign empty = (cnt == 'd0) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========almost_full===========//
assign almost_full = (cnt >= DATA_DEPTH-1) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========almost_empty===========//
assign almost_empty = (cnt <= 'd1) ? 1'b1 : 1'b0;
//===========read data===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
dout_r <= 'd0;
else if(rd_en && !empty)
dout_r <= mem[rd_ptr];
end
assign dout = dout_r;
//===========write data===========//
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
for(i=0;i<DATA_DEPTH;i=i+1) begin
mem[i] <= 'd0;
end
else if(wr_en && !full)
mem[wr_ptr] <= din;
end
endmodule
仿真文件如下：
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/05/16 11:22:57
// Design Name:
// Module Name: tb_sync_fifo
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
module tb_sync_fifo;
parameter DATA_WIDTH = 8;
parameter DATA_DEPTH = 16;
parameter CNT_WIDTH = $clog2(DATA_DEPTH);
reg clk,rst_n;
reg wr_en ;
reg [DATA_WIDTH-1:0] din ;
reg rd_en ;
wire [DATA_WIDTH-1:0] dout ;
wire full ;
wire empty ;
wire almost_full ;
wire almost_empty;
parameter clk_period = 10;
initial
begin
clk = 1'b1;
rst_n <= 1'b1;
rd_en <= 1'b0;
wr_en <= 1'b0;
din <= 'd0;
#(clk_period*10)
rst_n <= 1'b0;
#(clk_period*1)
rst_n <= 1'b1;
repeat(50) begin
@(posedge clk) begin
wr_en <= {$random}%2;
rd_en <= {$random}%2;
din <= din + 1'b1;
end
end
#(clk_period)
#(clk_period*10)
$stop;
end
always #(clk_period/2) clk = ~clk;
sync_fifo
#(
.DATA_WIDTH(DATA_WIDTH),
.DATA_DEPTH(DATA_DEPTH)
)sync_fifo
(
.clk (clk ),
.rst_n (rst_n ),
.wr_en (wr_en ),
.din (din ),
.rd_en (rd_en ),
.dout (dout ),
.almost_full (almost_full ),
.full (full ),
.almost_empty(almost_empty),
.empty (empty )
);
endmodule
三、仿真结果
对同步FIFO进行仿真，可以看到，初始化复位下，空信号empty与几乎空信号almost_empty均为高电平，在成功写入数据，FIFO中数据个数大于0时，empty信号被拉低；当FIFO中存储数据大于1时，几乎空信号almost_empty被拉低。
在这里仍然存在问题：修改仿真文件，使得读使能早于写使能，可以看到数据成功写入FIFO，因为写使能wr_en有效取决于满信号full为低电平，而数据并没有成功从FIFO中读出，因为读使能rd_en有效取决于空信号empty为低电平，而在FIFO成功写入数据后，空信号并没有拉低，从而导致读数据失败，但空信号empty取决于FIFO中的数据计数器，计数器由读使能与写使能同时控制，由于写使能与读使能同为高，所以计数器并没有加1，从而导致空信号没有拉低。
于是，找到问题的关键所在，把同步FIFO设计中的计数器cnt部分原版修改为修改版，增加了两种情况：写使能wr_en有效读使能rd_en无效、读使能rd_en有效写使能wr_en无效，重新仿真，可以看到结果正确。文章来源：https://www.toymoban.com/news/detail-460004.html
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