【正点原子FPGA连载】第十八章IP核之FIFO实验
本帖最后由 正点原子 于 2021-1-28 11:00 编辑1）实验平台：正点原子超越者FPGA开发板
2)章节摘自【正点原子】超越者之FPGA开发指南
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第十八章IP核之FIFO实验
FIFO的英文全称是First In First Out，即先进先出。FPGA使用的FIFO一般指的是对数据的存储具有先进先出特性的一种缓存器，常被用于数据的缓存，或者高速异步数据的交互（即跨时钟域信号传递）。FIFO与FPGA内部的RAM和ROM的区别是FIFO没有外部读写地址线，采取顺序写入数据，顺序读出数据的方式，使用起来简单方便，由此带来的缺点就是不能像RAM和ROM那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。本章将通过对ISE软件自带的FIFO IP核进行读写测试，来向大家介绍Xilinx FIFO IP核的使用方法。
本章包括以下几个部分：
1818.1简介
18.2实验任务
18.3硬件设计
18.4程序设计
18.5下载验证
18.1简介
根据FIFO工作的时钟域，可以将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO。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。Xilinx的FIFO IP核可以被配置为同步FIFO或异步FIFO，其信号框图如下图所示。从图中可以了解到，当被配置为同步FIFO时，只使用WR_CLK，所有的输入输出信号都同步于WR_CLK信号。而当被配置为异步FIFO时，写端口和读端口分别有独立的时钟，所有与写相关的信号都是同步于写时钟WR_CLK，所有与读相关的信号都是同步于读时钟RD_CLK。
图 18.1.1 FIFO IP核示意图
对于FIFO需要了解一些常见参数。
FIFO的宽度：FIFO一次读写操作的数据位宽N。
FIFO的深度：FIFO可以存储多少个宽度为N位的数据。
空标志：empty。FIFO已空时由FIFO的状态电路送出的一个信号，用以阻止FIFO的读操作继续从FIFO中读出数据从而造成无效数据的读出。
将空标志：almost_empty。FIFO即将被读空。
满标志：full。FIFO已满时由FIFO的状态电路送出的一个信号，用以阻止FIFO的写操作继续向FIFO中写数据从而造成溢出。
将满标志：almost_full。FIFO即将被写满。
读时钟：读FIFO时所遵循的时钟，读操作在时钟的上升沿触发。
请注意，“almost_empty”和“almost_full”这两个信号分别被看作“empty”和“full”的警告信号，它们距离真正的空（empty）和满（full）都会提前一个时钟周期拉高。本实验将使用这两个信号。
写时钟：写FIFO时所遵循的时钟，写操作在每个时钟的上升沿触发。
对于FIFO的基本知识先了解这些就足够了，可能有人会好奇为什么会有同步FIFO和异步FIFO，它们各自的用途是什么。之所以有同步FIFO和异步FIFO是因为各自的作用不同，同步FIFO常用于同步时钟的数据缓存，异步FIFO常用于跨时钟域的数据信号的传递。例如时钟域A下的数据data1传递给异步时钟域B，当data1为连续变化信号时，如果直接传递给时钟域B则可能会导致所收非所送的情况（即在采集过程中会出现包括亚稳态问题在内的一系列问题），使用异步FIFO能够将不同时钟域中的数据同步到所需的时钟域中。
18.2实验任务
本节的实验任务是使用ISE生成FIFO IP核，并实现以下功能：当FIFO为空时，向FIFO中写入数据，写入的数据量和FIFO深度一致，即FIFO被写满；然后从FIFO中读出数据，直到FIFO被读空为止，以此向大家详细介绍一下FIFO IP核的使用方法。
18.3硬件设计
本章实验只用到了输入的时钟信号和按键复位信号，没有用到其它硬件外设。本实验中各端口信号的管脚分配如下表所示：
表18.3.1 引脚分配表
对应的UCF约束语句如下所示：
NET sys_clk TNM_NET = sys_clk_pin;
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 50000 kHz;
NET sys_clk LOC = N8| IOSTANDARD = "LVCMOS33";
NET sys_rst_n LOC = G16 | IOSTANDARD = "LVCMOS33";
18.4程序设计
根据实验任务要求和模块化的设计思想，我们需要4个模块：fifo IP核、写fifo模块、读fifo模块以及顶层例化模块，其中顶层例化模块主要用来实现前三个模块的信号交互。由于FIFO多用于跨时钟域信号的处理，所以本实验使用异步FIFO来向大家详细介绍双时钟FIFO IP核的创建和使用。为了方便大家理解，这里将读/写时钟都用系统时钟来驱动。系统的功能框图如下图所示：
图 18.4.1系统框图
首先创建一个名为ip_fifo的工程，接下来创建fifo IP核。在ISE软件的左侧“Design”栏中右击工程名按钮，打开添加新文件选项栏，我们选择New Source，如下图所示：
图 18.4.2 “New Source”按钮
打开New Source之后选择IP(CORE Generator&Architecture Wizard)，然后将FIFO IP核命名为fifo（也可以命名成别的名字，但是必须是英文命名），路径放在工程文件夹下，ISE会自动创建一个ipcore_dir文件夹用来存放IP核文件，如下图所示：
图 18.4.3 创建FIFO IP核
如上图所示步骤设置完成后点击Next，进入IP核选择界面。在Search IP Catalog搜索栏中搜索fifo，然后选择FIFO Generator，如下图所示：
图 18.4.4创建FIFO IP核
按上图所示步骤操作之后点击Next进入Summary界面，如下图所示：
图 18.4.5 Summary界面
在Summary界面直接点击Finish，接下来就是配置IP核参数的过程，如下图所示：
图 18.4.6 参数配置
在上图中：
Component Name：FIFO IP核的命名，这里会直接显示之前创建IP时的命名。
Interface Type：Native本机接口FIFO，可以利用区块RAM、分布式RAM或内置的FIFO资源；AX14除了支持Native的应用功能外，还可以用于AX14系统总线和点对点高速应用程序，但是AX14 FIFO不支持内置的FIFO与移位寄存器的FIFO设置。
选择Native类型然后点击Next，进入下一页参数设置，如下图所示：
图 18.4.7参数配置
上图中：
Block RAM：FPGA内部硬件存在的块RAM资源。
Distribute RAM：分布式RAM资源，使用FPGA内部的寄存器和查找表搭建起来的RAM，当深度要求小于32的时候可以使用。
Shift Register：使用FIFO产生一个移位寄存器。
Common clock：同步时钟。
Independent clock：异步时钟。
选择Independent clocks选项并使用Block RAM资源，然后点击Next进入下一页参数设置，如下图所示：
图 18.4.8参数配置
上图中：
Read Mode：选择Standard FIFO，标准FIFO模型。
Write Width：写数据位宽。
Write Depth：写数据深度，可以理解为FIFO的数据容量。
Read Width：读数据位宽。
这里按照上图所示设置好后，点击Next进入下一个参数页面设置，如下图所示：
图 18.4.9参数配置
上图中：
Almost Full Flag：将满标志。
Almost Empty Flag：将空标志。
Write Acknowledge Flag：写应答标志，可以在其下方设置高电平有效（Active High）还是低电平有效（Active Low）。
Overflow Flag：当写指针追到了读指针，然后还继续写就会给出Overflow Flag标志，可以在其下方设置高电平有效（Active High）或低电平有效（Active Low）用来表示写错误。
Vaild Flag：读有效，可以在其下方设置高电平有效（Active High）还是低电平有效（Active Low）。
Underflow Flag：当读指针追到了写指针，然后还继续读就会给出underflow Flag标志，可以在其下方设置高电平有效（Active High）或低电平有效（Active Low）用来表示读错误。
按照上图所示设置后，点击Next进入下一参数设置页面，如下图所示：
图 18.4.10参数配置
上图所示的这一页主要是复位的设置，这里我们不用作修改，保持默认，直接点击Next进入下一参数设置页面，如下图所示：
图 18.4.11参数配置
上图所示把Write Data Count和Read Data Count读写计数器选上，主要用来观察写进去了多少个数据，还剩多少个数据可读。注意读写计数器的位宽要足够大，保证计数器的最大值大于fifo的深度，否则计数器会溢出。之后点击Next进入下一参数设置页面，如下图所示：
图 18.4.12参数配置
上图所示的是要创建的FIFO IP核的Summary界面，检查一下设置，如果有问题就点击Back返回重新设置参数，如果没问题就点击Generate生成FIFO IP核。
回到Design工具栏下可以看到创建的FIFO IP核已经出现在工程栏下了，如下图所示：
图 18.4.13 FIFO创建完成
现在就可以添加设计源文件了。本次是对FIFO IP核进行读写，所以需要一个读模块、一个写模块还要一个顶层例化模块。下面先来看顶层例化模块：
1module fifo_top(
2 input sys_clk ， // 时钟信号
3 input sys_rst_n // 复位信号
4
5 );
6
7wire fifo_din ;
8wire fifo_wr_en ;
9wire fifo_rd_en ;
10 wire fifo_dout ;
11 wire fifo_full ;
12 wire almost_full ;
13 wire wr_ack ;
14 wire overflow ;
15 wire fifo_empty ;
16 wire almost_empty ;
17 wire valid ;
18 wire underflow ;
19 wire fifo_wr_data_count ;
20 wire fifo_rd_data_count ;
21
22 fifo u_fifo (
23 .wr_clk (sys_clk )， // input wr_clk
24 .rd_clk (sys_clk )， // input rd_clk
25 .din (fifo_din )， // input din
26 .wr_en (fifo_wr_en )， // input wr_en
27 .rd_en (fifo_rd_en )， // input rd_en
28 .dout (fifo_dout )， // output dout
29 .full (fifo_full )， // output full
30 .almost_full (almost_full )， // output almost_full
31 .wr_ack (wr_ack )， // output wr_ack
32 .overflow (overflow )， // output overflow
33 .empty (fifo_empty )， // output empty
34 .almost_empty (almost_empty )， // output almost_empty
35 .valid (valid )， // output valid
36 .underflow (underflow )， // output underflow
37 .rd_data_count (fifo_wr_data_count )， // output rd_data_count
38 .wr_data_count (fifo_rd_data_count )// output wr_data_count
39 );
40
41 fifo_wru_fifo_wr (
42 .clk ( sys_clk )， // 写时钟
43 .rst_n ( sys_rst_n )， // 复位信号
44
45 .fifo_wr_en ( fifo_wr_en )， // fifo写请求
46 .fifo_wr_data ( fifo_din )， // 写入FIFO的数据
47 .almost_empty ( almost_empty )， // fifo空信号
48 .almost_full ( almost_full )// fifo满信号
49 );
50
51 fifo_rdu_fifo_rd (
52 .clk ( sys_clk )， // 读时钟
53 .rst_n ( sys_rst_n )， // 复位信号
54
55 .fifo_rd_en ( fifo_rd_en )， // fifo读请求
56 .fifo_dout ( fifo_dout )， // 从FIFO输出的数据
57 .almost_empty ( almost_empty )， // fifo空信号
58 .almost_full ( almost_full )// fifo满信号
59 );
60
61 endmodule
顶层模块主要是对FIFO IP核、写FIFO模块和读FIFO模块进行例化。需要注意的是从整个顶层来看，工程对外没有任何输出，所有的数据读写都是在FPGA内部进行的，编译器会认为我们的代码端口对外界不起作用，所以ISE会编译报错，不过没关系，我们可以将需要观察的信号设置成output型，这样既可以防止在Chipscope中信号被综合优化，又可以使工程编译通过。当然你也可以不设置为输出，创建一个Chipscope的在线调试文件（可以参考软件使用篇），将待观察信号接到在线调试IP核上，这样编译也可以编译通过，然后通过Chipscope观察信号。（特别注意：刚拿到我们的例程是没有对端口作处理的，直接编译会报错）。
顶层模块完成后，接着看看例化的子模块代码。fifo ip核模块就不用看了，因为fifoip核是我们配置参数后软件自动生成的，主要来看看读写模块的代码。下面是写FIFO模块（fifo_wr.v）源文件的代码：
1module fifo_wr(
2 input clk ， // 时钟信号
3 input rst_n， // 复位信号
4
5 input almost_empty， // FIFO将空信号
6 input almost_full ， // FIFO将满信号
7 output reg fifo_wr_en ， // FIFO写使能
8 output reg fifo_wr_data // 写入FIFO的数据
9);
10
11 //reg define
12 regstate ;//动作状态
13 reg almost_empty_d0;//almost_empty 延迟一拍
14 reg almost_empty_syn ;//almost_empty 延迟两拍
15 regdly_cnt ;//延迟计数器
16 //*****************************************************
17 //** main code
18 //*****************************************************
19
20 //因为 almost_empty 信号是属于FIFO读时钟域的
21 //所以要将其同步到写时钟域中
22 always@( posedge clk ) begin
23if( !rst_n ) begin
24 almost_empty_d0<= 1'b0 ;
25 almost_empty_syn <= 1'b0 ;
26end
27else begin
28 almost_empty_d0<= almost_empty ;
29 almost_empty_syn <= almost_empty_d0 ;
30end
31 end
32
33 //向FIFO中写入数据
34 always @(posedge clk ) begin
35 if(!rst_n) begin
36 fifo_wr_en <= 1'b0;
37 fifo_wr_data <= 8'd0;
38 state <= 2'd0;
39 dly_cnt <= 4'd0;
40 end
41 else begin
42 case(state)
43 2'd0: begin
44 if(almost_empty_syn) begin//如果检测到FIFO将被读空（下一拍就会空）
45 state <= 2'd1; //就进入延时状态
46 end
47 else
48 state <= state;
49 end
50 2'd1: begin
51 if(dly_cnt == 4'd10) begin//延时10拍
52 //原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时
53 //延迟10拍以等待状态信号更新完毕
54 dly_cnt <= 4'd0;
55 state <= 2'd2; //开始写操作
56 fifo_wr_en <= 1'b1; //打开写使能
57 end
58 else
59 dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
60 end
61 2'd2: begin
62 if(almost_full) begin //等待FIFO将被写满（下一拍就会满）
63 fifo_wr_en <= 1'b0;//关闭写使能
64 fifo_wr_data <= 8'd0;
65 state <= 2'd0;//回到第一个状态
66 end
67 else begin //如果FIFO没有被写满
68 fifo_wr_en <= 1'b1;//则持续打开写使能
69 fifo_wr_data <= fifo_wr_data + 1'd1;//且写数据值持续累加
70 end
71 end
72 default : state <= 2'd0;
73 endcase
74 end
75 end
76
77 endmodule
fifo_wr模块的核心部分是一个不断进行状态循环的状态机，如果检测到FIFO为空，则先延时10拍，这里注意，由于FIFO的内部信号的更新比实际的数据读/写操作有所延时，所以延时10拍的目的是等待FIFO的空/满状态信号、数据计数信号等信号更新完毕之后再进行FIFO写操作。如果写满，则回到状态0，即等待FIFO被读空，进行下一轮的写操作。
读FIFO模块fifo_rd.v源文件的代码如下：
1module fifo_rd(
2 input clk ， // 时钟信号
3 input rst_n ， // 复位信号
4
5 input fifo_dout ， // 从FIFO读出的数据
6 input almost_full， // FIFO将满信号
7 input almost_empty ， // FIFO将空信号
8 outputreg fifo_rd_en // FIFO读使能
9);
10
11 //reg define
12 regstate ;//动作状态
13 reg almost_full_d0;//almost_full延迟一拍
14 reg almost_full_syn ;//almost_full延迟两拍
15 regdly_cnt ;//延迟计数器
16
17 //*****************************************************
18 //** main code
19 //*****************************************************
20
21 //因为 fifo_full 信号是属于FIFO写时钟域的
22 //所以要将其同步到读时钟域中
23 always@( posedge clk ) begin
24if( !rst_n ) begin
25 almost_full_d0<= 1'b0 ;
26 almost_full_syn <= 1'b0 ;
27end
28else begin
29 almost_full_d0<= almost_full ;
30 almost_full_syn <= almost_full_d0 ;
31end
32 end
33
34 //读出FIFO的数据
35 always @(posedge clk ) begin
36 if(!rst_n) begin
37 fifo_rd_en <= 1'b0;
38 state <= 2'd0;
39 dly_cnt <= 4'd0;
40 end
41 else begin
42 case(state)
43 2'd0: begin
44 if(almost_full_syn) //如果检测到FIFO被写满
45 state <= 2'd1; //就进入延时状态
46 else
47 state <= state;
48 end
49 2'd1: begin
50 if(dly_cnt == 4'd10) begin //延时10拍
51 //原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时
52 //延迟10拍以等待状态信号更新完毕
53 dly_cnt <= 4'd0;
54 state <= 2'd2; //开始读操作
55 end
56 else
57 dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
58 end
59 2'd2: begin
60 if(almost_empty) begin //等待FIFO将被读空（下一拍就会空）
61 fifo_rd_en <= 1'b0; //关闭读使能
62 state <= 2'd0; //回到第一个状态
63 end
64 else //如果FIFO没有被读空
65 fifo_rd_en <= 1'b1; //则持续打开读使能
66 end
67 default : state <= 2'd0;
68 endcase
69 end
70 end
71
72 endmodule
读模块的代码结构与写模块几乎一样，也是使用一个不断进行状态循环的状态机来控制操作过程，代码比较简单，这里就不再赘述。
下面我们来对写好的工程进行仿真验证一下功能，在仿真前我们先对顶层文件（fifo_top）做一下处理如下图所示：
图 18.4.14 对顶层模块做处理
将需要观察的信号全部重新定义一遍，并加上后缀为“_tb”，然后使用assign语句把原信号赋值给重新定义的待观察信号，最后把所有带后缀“_tb”的待观察信号当作输出端口输出，这样无论是写Tsetbench仿真文件还是使用Chipscope在线调试都比较方便，编译不会报错，抓取信号也不会被综合优化。
将顶层文件处理好后就可以生成Testbench文件了（不会生成Testbench文件的可以参考软件使用篇），模板生成完后写激励如下所示：
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module fifo_top_tb;
4 // Inputs
5 reg sys_clk;
6 reg sys_rst_n;
7
8 wire fifo_din_tb ;//仿真在线调试专用
9 wire fifo_wr_en_tb ;
10 wire fifo_rd_en_tb ;
11 wire fifo_dout_tb ;
12 wire fifo_full_tb ;
13 wire almost_full_tb ;
14 wire wr_ack_tb ;
15 wire overflow_tb ;
16 wire fifo_empty_tb ;
17 wire almost_empty_tb ;
18 wire valid_tb ;
19 wire underflow_tb ;
20 wire fifo_wr_data_count_tb ;
21 wire fifo_rd_data_count_tb ;
22
23 // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
24 fifo_top uut (
25 .sys_clk (sys_clk )，
26 .sys_rst_n (sys_rst_n )，
27 . fifo_din_tb (fifo_din_tb )，
28 . fifo_wr_en_tb (fifo_wr_en_tb )，
29 . fifo_rd_en_tb (fifo_rd_en_tb )，
30 . fifo_dout_tb (fifo_dout_tb )，
31 . fifo_full_tb (fifo_full_tb )，
32 . almost_full_tb (almost_full_tb )，
33 . wr_ack_tb (wr_ack_tb )，
34 . overflow_tb (overflow_tb )，
35 . fifo_empty_tb (fifo_empty_tb )，
36 . almost_empty_tb (almost_empty_tb )，
37 . valid_tb (valid_tb )，
38 . underflow_tb (underflow_tb )，
39 . fifo_wr_data_count_tb (fifo_wr_data_count_tb)，
40 . fifo_rd_data_count_tb (fifo_rd_data_count_tb)
41
42 );
43
44 initial begin
45 // Initialize Inputs
46 sys_clk = 0;
47 sys_rst_n = 0;
48
49 // Wait 100 ns for global reset to finish
50 #100;
51 sys_rst_n=1;
52 // Add stimulus here
53
54 end
55 always #10 sys_clk=~sys_clk;
56endmodule
Testbench文件完成后点击保存，然后点击Modelsim仿真按钮，调用Modelsim进行仿真（不熟悉的可以参考Modelsim章节）。
仿真波形如下图所示：
图 18.4.15 仿真波形图
上图是整体波形，从图中可以看到读写是交替进行的，处于写状态时写使能打开（fifo_wr_en_tb）、写数据跳变（fifo_din_tb）、写有效标志拉高（wr_ack_tb）、写数据计数器计数（fifo_wr_data_count_tb）、没有出现写错误，写错误信号保持低电平（overflow_tb），当数据写结束时先提前一个时钟拉高将满信号（almost_full_tb），再拉高写满信号（fifo_full_tb）；读也是一样的，处于读状态时读使能打开（fifo_rd_en_tb）、读数据读出（fifo_dout_tb）、读有效标志拉高（valid_tb）、读数据计数器计数（fifo_rd_data_count_tb）、没有出现读错误，读错误信号保持低电平（underflow_tb）、当数据读结束时先提前一个时钟拉高将空信号（almost_empty_tb），再拉高读空信号（fifo_empty_tb）；
我们放大波形图来看一下细节如下图所示：
图 18.4.16仿真波形细节图
上图是处于写状态时的细节，可以看到一共写了255个数（0~254），在快写满时确实是先拉高将满信号，再拉高写满信号；看完了写状态的细节我们再看看读状态的细节，如下图所示：
图 18.4.17仿真波形细节图
读状态也可以看到它读出的数据跟写入的一模一样，也是先拉高将空信号，再拉高读空信号。这就说明我们的FIFO IP核工程目前仿真功能是完全正常的，接下来就可以添加UCF文件进行管脚分配和时序约束了（不熟悉的可以参考软件使用篇），最后我们使用Chipscope工具进行下板子实际验证一下功能是否正确。
18.5下载验证
首先将下载器与超越者开发板上的JTAG接口连接，下载器另外一端与电脑连接，然后连接开发板的电源，并打开电源开关。
打开Chipscope工具，将刚刚生成好的逻辑分析仪IP核下载到板子上去，然后运行如下图所示：
图 18.5.1在线调试波形图
上图中可以看到波形与仿真的波形是一样的，为了进一步确认功能，可以将波形放大看一下细节如下图所示：
图 18.5.2在线调试波形细节图
上图是写数据时的细节，跟我们仿真图是一样的，说明写数据没有问题，我们再看看读数据时的波形细节，如下图所示：
图 18.5.3在线调试波形细节图
可以看到读状态波形的细节也是符合预期，到此就可以说明本次FIFO IP核的功能是正常的，本次例程实验成功。
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