[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA基础篇连载-26浅谈XILINX FIFO的基本使

本帖最后由 FPGA课程于 2024-9-3 13:47 编辑

软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
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1概述

首先来大概了解下什么是FIFO ，FIFO( First Input First Output)简单说就是指先进先出。FIFO也是缓存机制的一种，下面是我总结的FIFO的三大用途：

1)、提高传输效率，增加DDR带宽的利用率。比如我们有4路视频数据缓存到DDR中去，比较笨的方法是，每个通道视频数据对应一颗DDR。现在对于DDR来说非常浪费，因为现在的DDR3可以跑1600Mbps DDR4可以跑到2400Mbps，如果你还是把一路视频数据对应一颗DDR显然严重浪费了带宽。加入FIFO后，只要把4路数据先缓存进入DDR，在缓存的过程中，快速得把数据从FIFO取出并且写入到DDR中，只要FIFO没有满就不会出现数据丢失。现在我们带宽够用，FIFO给的足够大就可以确保数据不丢失。

2)、数据位宽转换，比如我们有32bit的数据需要转换成128bit或者32bit的数据需要转换成8bit,那么用FIFO来转换也是非常方便的。

3)、跨时钟域的应用，比如数据是2个不同步的时钟，那么我们就可以用FIFO实现跨时钟域的传输。

以上总计的三点，很多时候是混合使用的。FIFO的用途非常大，我们在后面的例子中也看到，只要涉及到DDR传输的都和FIFO有关系。

我们这里的例子通过仿真告诉大家FIFO的基本用法，有两条我总结的办法，包括：

1)半空半满法

2)关键信号法

2配置FIFO IP

点击软件左侧的IP Catalog

输入关键词fifo,会出来非常多的FIFO类型

1)、AXI4-Stream FIFO内核旨在提供对与其他IP连接的AXI4-Stream接口（例如AXI以太网内核）的内存映射访问。必须通过Vivado Design Suite构建系统，以连接AXI4-Stream FIFO内核，AXI以太网内核，处理器，内存，互连总线，时钟和其他嵌入式组件。

2)、AXI4-Stream Data FIFO 支持AXI4-Stream协议，具备packet包传输模式。

3)、AXI Data FIFO 就是数据FIFO 功能较为单一，接口为Stream接口

4)、FIFO Generator 支持Native 模式，AXI Memory Mapped模式 AXI Steam模式功能比较齐全，在没有AXI4或者AXI Stream协议的场合下，我们更多使用Native模式，这里的课程也以Native模式讲解。

使用Block RAM，BlockRAM是FPGA内部集成的重要内存单元，速度高资源有限，所以得充分合理利用。时钟模式采用异步方式，也就是这里选择Independent Clocks，可以把IP名字改为FIFO32_2_128

选择First Word Fall Through 这样写入的数据，会先在读端口准备好，否则如果选择Standard FIFO需要读使能后一个时钟输出才有效。

观察almost full 和almost empty flag 这两个信号是可编程的，一些应用场景也是可以用到。

设置读计数器和写计数器，这不是必须的，我们第一个半空半满方法需要用到。

3半空/半满法控制读写FIFO

半空/半满法，功法要点：半空是针对读FIFO计数器而言，半满是针对写FIFO计数器而言；这里强调一点，FIFO的计数器并不精准，计数器会有几个时钟的延迟，所以这里的半空，半满的计数器大部分时候都是不精确的，除非你把程序停下来等几个时钟周期，显然这样不科学，会降低程序的效率。虽然不精确但是完全够用。因为读写FIFO一直在一个动态平衡中。

3.1测试代码程序

比如，我们这里的FIFO输入32bit 深度1024；输出128bit 深度256，这里的半空值就是128，半满值就是512。下面设计我们的状态机：

1)、状态0：当写入FIFO计数器小于512 则进入状态1

2)、状态1：当连续写入FIFO 512个数据后，再次进入状态0等待

读状态机的设计，每次读出128bt数据：

1)、状态0：当读FIFO计数器大于128 则进入状态1

2)、状态1：连续读出FIFO 128个数据后，再次进入状态0等待

fifo_test.v

/*************FIFO IP的仿真测试***************************************
--版本号1.0
--FIFO通常用于异步数据传输、数据缓存、数据位宽转换，本使用基于XILINX FIFO IP实现数据的位宽转换实验
--通过FIFO实现数据缓存，以及数据位宽从32bits转为128btis
--写状态机和读状态机分开运行
*********************************************************************/
`timescale 1ns / 1ns //仿真时间刻度/精度
module fifo_test1
(
input I_sysclk_p,
input I_sysclk_n, //系统时钟输入
input I_rstn //系统复位
);
wire I_clk;
IBUFGDS CLK_U(
.I(I_sysclk_p),
.IB(I_sysclk_n),
.O(I_clk)
);
wire clk_100m,clk_200m,clk_locked;//MMCM/PLL 时钟信号
wire [127:0]rd_data; //读数据信号
wire fifo_rst; //fifo 复位，高电平有效
wire full; //FIFO满，这里没用到
wire empty; //FIFO空，这里没用到
wire almost_full; //FIFO将满，代表FIFO再写入1个数据就会满，这里没用到
wire almost_empty; //FIFO将空，代表FIFO再读出1个数据就会空，这里没用到
wire [7 : 0] rd_data_count;//读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
wire [9 : 0] wr_data_count;//写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
//写状态机信号
reg WR_REQ = 1'b0; //写请求信号
reg [0 :0]WR_S; //写状态机
reg [10:0]wr_cnt; //写数据计数器
reg wr_en; //写使能寄存器
// 读状态机
reg RD_REQ = 1'b0; //读请求信号
reg [0:0]RD_S; //读状态机
reg [7:0]rd_cnt; //读数据计数器
reg rd_en; //读使能寄存器
reg[9:0] rst_cnt = 10'd0; //复位计数器
assign fifo_rst = (rst_cnt[9:7] == 3'b010); //产生一个高脉冲复位
//MMCM/PLL 产生200M和100M时钟
clk_wiz_0 clk_inst(.clk_out1(clk_200m),.clk_out2(clk_100m),.resetn(I_rstn),.locked(clk_locked),.clk_in1(I_clk));
//复位计数器模块
always @(posedge clk_100m)begin
if(!clk_locked)
rst_cnt <= 10'd0;
else if(rst_cnt[9] == 1'b0)
rst_cnt <= rst_cnt + 1'b1;
end
// FIFO写状态机
always @(posedge clk_200m)begin //写数据用200MHZ 时钟写
if(!rst_cnt[9])begin //复位，重置相关寄存器
WR_S <= 1'b0;
wr_cnt <= 11'd0;
wr_en <= 1'b0;
end
else begin
case(WR_S) //状态机
0:begin
wr_cnt <= 11'd0;
if(WR_REQ) //当WR_REQ信号有效，代表了FIFO已经可以写入数据
WR_S <= 1'b1;//进入下一状态
end
1:begin
if(wr_cnt < 512)begin //如果写入的数据小于512
wr_en <= 1'b1; //设置写使能
wr_cnt <= wr_cnt+1'b1;//写计数器累加
end
else begin //否则，重置使能，并且回到状态0
wr_en <= 1'b0;
WR_S <= 1'b0;
end
end
endcase
end
end
always @(posedge clk_100m)begin//读使用100M时钟
if(!rst_cnt[9])begin //复位，重置相关寄存器
RD_S <= 1'b0;
rd_cnt <= 8'd0;
rd_en <= 1'b0;
end
else begin
case(RD_S)//读状态机
0:begin
rd_cnt <= 8'd0;
if(RD_REQ) //RD_REQ代表FIFO中有足够的数据
RD_S <= 1'b1;//下一状态
end
1:begin
if(rd_cnt < 128)begin //判断FIFO中读部分的数据，已经读的数量是否小于128个128bits
rd_en <= 1'b1; //使能读信号
rd_cnt <= rd_cnt+1'b1;//每读一个数据，累加1
end
else begin //否则重置读使能，状态机回到0
rd_en <= 1'b0;
RD_S <= 1'b0;
end
end
endcase
end
end
//判断写FIFO中是否有足够的空间存放下一次写的数据
always @(posedge clk_200m)begin
WR_REQ <= (wr_data_count < 10'd511);
end
//判断读FIFO中是否有足够的数据可以被读出
always @(posedge clk_100m)begin
RD_REQ <= (rd_data_count > 8'd127);
end
FIFO32_2_128 FIFO32_2_128_inst0 (
.rst(fifo_rst), //FIFO 复位，高电平有效
.wr_clk(clk_200m), //FIFO 写时钟输入
.rd_clk(clk_100m), //FIFO 读时钟输入
.din({24'd0,wr_cnt[7:0]}), //FIFO 写数据输入，测试数据用wr_cnt[7:0]计数器作为输入，其他高位为0
.wr_en(wr_en), //FIFO 写数据使能
.rd_en(rd_en), //FIFO 读数据使能
.dout(rd_data), //FIFO 读数据输出
.full(full), //FIFO 写通道满，该信号这里没使用
.almost_full(almost_full), //FIFO 写通道将满，该信号这里没使用
.empty(empty), //FIFO 读通道空，该信号这里没使用
.almost_empty(almost_empty), //FIFO 读通道将空，该信号这里没使用
.rd_data_count(rd_data_count), //FIFO 读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
.wr_data_count(wr_data_count) //FIFO 写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
);
endmodule

复制代码

以上代码中关键的控制状态机写FIFO读FIFO的代码如下：

//判断写FIFO中是否有足够的空间存放下一次写的数据
always @(posedge clk_200m)begin
WR_REQ <= (wr_data_count < 10'd511);
end
//判断读FIFO中是否有足够的数据可以被读出
always @(posedge clk_100m)begin
RD_REQ <= (rd_data_count > 8'd127);
end

复制代码

对于初学者一定要注意，FIFO复位需要经过多个时钟周期后才能完成复位，所以我们这里把FIFO复位设置了常量0，让FIFO在有时钟后就能自己完成复位，FIFO 复位的信号可以根据实际情况去应用，比如我们在后面的图像缓存方面，我们会用图像的VS去复位和同步FIFO，具体的理解还要在实际应用中加深。

3.2 RTL仿真3.2.1仿真激励文件

下面我们进行仿真，如何编写tb文件，和调用仿真波形图，我就不详细讲了，不懂的人看前面FPGA入门的几个例子。我下面直接给出仿真代码。

仿真TB文件

/*********************仿真文件****************************************
`timescale 1ns / 1ns//仿真时间刻度/精度
module tb_fifo_test;
localparam SYS_TIME = 10;//系统时钟周期10ns
reg I_sysclk_p;
reg I_sysclk_n;//系统时钟
reg I_rstn;//系统复位
//例化fifo_test1
fifo_test1 fifo_test1_inst
(
.I_sysclk_p(I_sysclk_p),
.I_sysclk_n(I_sysclk_n),
.I_rstn(I_rstn)
);
//例化fifo_test2
fifo_test2 fifo_test2_inst
(
.I_sysclk_p(I_sysclk_p),
.I_sysclk_n(I_sysclk_n),
.I_rstn(I_rstn)
);
//例化fifo_test2
fifo_test2 fifo_test2_inst
(
.I_sysclk_p(I_sysclk_p),
.I_sysclk_n(I_sysclk_n),
.I_rstn(I_rstn)
);
//初始化
initial begin
I_sysclk_p = 1'b0;
I_sysclk_n = 1'b1;
I_rstn = 1'b0;
#100;//产生100ns的系统复位
I_rstn = 1'b1;//复位完成
#20000 $finish;
end
//产生仿真时钟
always #(SYS_TIME/2) I_sysclk_p= ~I_sysclk_p;
always #(SYS_TIME/2) I_sysclk_n= ~I_sysclk_n;
endmodule

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3.2.2仿真结果

写入FIFO的计数器值第一个值是1，注意不是0

每次写数据计数器最后一个值是512

读出FIFO的计数器值1

最后一个读出的值，由于采取8bit写入FIFO，所以512对应的是0

4关键信号法

关键信号法就是利用关键的信号，比如FIFO满标志，FIFO将满标志，FIFO空标志，FIFO将空标志，FIFO可编程空标志，和FIFO可编程满标志，FIFO读Valid标志，去控制FIFO的读写。

事实上，FIFO的满标志是正确的，也就是说FIFO输出满标志的。

修改FIFO IP 增加valid信号观测

4.1 almost_full 和almost_empty

1)、当FIFO非满的时候写

2)、当FIFO非空的时候读

4.1.1测试代码

/*************FIFO IP的仿真测试***************************************
--版本号1.0
--FIFO通常用于异步数据传输、数据缓存、数据位宽转换，本使用基于XILINX FIFO IP实现数据的位宽转换实验
--通过FIFO实现数据缓存，以及数据位宽从32bits转为128btis
--写状态机和读状态机分开运行
*********************************************************************/
`timescale 1ns / 1ns //仿真时间刻度/精度
module fifo_test2
(
input I_sysclk_p,
input I_sysclk_n, //系统时钟输入
input I_rstn //系统复位
);
wire I_clk;
IBUFGDS CLK_U(
.I(I_sysclk_p),
.IB(I_sysclk_n),
.O(I_clk)
);
wire clk_100m,clk_200m,clk_locked;//MMCM/PLL 时钟信号
wire [127:0]rd_data; //读数据信号
wire fifo_rst; //fifo 复位，高电平有效
wire full; //FIFO满
wire empty; //FIFO空，这里没用到
wire almost_full; //FIFO将满，代表FIFO再写入1个数据就会满
wire almost_empty; //FIFO将空，代表FIFO再读出1个数据就会空
wire [7 : 0] rd_data_count;//读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
wire [9 : 0] wr_data_count;//写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
reg [10: 0] wr_cnt; //写数据计数器
reg[9:0] rst_cnt = 10'd0; //复位计数器
assign fifo_rst = (rst_cnt[9:7] == 3'b010); //产生一个高脉冲复位
//MMCM/PLL 产生200M和100M时钟
clk_wiz_0 clk_inst(.clk_out1(clk_200m),.clk_out2(clk_100m),.resetn(I_rstn),.locked(clk_locked),.clk_in1(I_clk));
//复位计数器模块
always @(posedge clk_100m)begin
if(!clk_locked)
rst_cnt <= 10'd0;
else if(rst_cnt[9] == 1'b0)
rst_cnt <= rst_cnt + 1'b1;
end
// FIFO写状态机
always @(posedge clk_200m)begin //写数据用200MHZ 时钟写
if(!rst_cnt[9]) //复位，重置相关寄存器
wr_cnt <= 11'd0;
else
wr_cnt <= full ? wr_cnt : wr_cnt+1'b1;//写计数器累加
end
FIFO32_2_128 FIFO32_2_128_inst0 (
.rst(fifo_rst), //FIFO 复位，高电平有效
.wr_clk(clk_200m), //FIFO 写时钟输入
.rd_clk(clk_100m), //FIFO 读时钟输入
.din({24'd0,wr_cnt[7:0]}), //FIFO 写数据输入，测试数据用wr_cnt[7:0]计数器作为输入，其他高位为0
.wr_en(!almost_full&rst_cnt[9]), //FIFO 写数据使能
.rd_en(!almost_empty&rst_cnt[9]), //FIFO 读数据使能
.dout(rd_data), //FIFO 读数据输出
.full(full), //FIFO 写通道满
.almost_full(almost_full), //FIFO 写通道将满
.empty(empty), //FIFO 读通道空，该信号这里没使用
.almost_empty(almost_empty), //FIFO 读通道将空
.rd_data_count(rd_data_count), //FIFO 读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
.wr_data_count(wr_data_count) //FIFO 写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
);
endmodule

复制代码

使用almost_full和almost_empyt可以防止FIFO写满和FIFO空读

4.1.2RTL仿真结果

4.2 almost_full和valid

当读FIFO里面数据有效的时候Valid为1，所以也可以用valid信号读数据

4.2.1测试代码

/*************FIFO IP的仿真测试***************************************
--版本号1.0
--FIFO通常用于异步数据传输、数据缓存、数据位宽转换，本使用基于XILINX FIFO IP实现数据的位宽转换实验
--通过FIFO实现数据缓存，以及数据位宽从32bits转为128btis
--写状态机和读状态机分开运行
*********************************************************************/
`timescale 1ns / 1ns //仿真时间刻度/精度
module fifo_test3
(
input I_sysclk_p,
input I_sysclk_n, //系统时钟输入
input I_rstn //系统复位
);
wire I_clk;
IBUFGDS CLK_U(
.I(I_sysclk_p),
.IB(I_sysclk_n),
.O(I_clk)
);
wire clk_100m,clk_200m,clk_locked;//MMCM/PLL 时钟信号
wire [127:0]rd_data; //读数据信号
wire fifo_rst; //fifo 复位，高电平有效
wire full; //FIFO满，这里没用到
wire empty; //FIFO空，这里没用到
wire almost_full; //FIFO将满，代表FIFO再写入1个数据就会满
wire almost_empty; //FIFO将空，代表FIFO再读出1个数据就会空，这里没用到
wire [7 : 0] rd_data_count;//读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
wire [9 : 0] wr_data_count;//写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
reg [10 : 0] wr_cnt; //写数据计数器
wire valid ; //读通道数据有效
reg[9:0] rst_cnt = 10'd0; //复位计数器
assign fifo_rst = (rst_cnt[9:7] == 3'b010); //产生一个高脉冲复位
//MMCM/PLL 产生200M和100M时钟
clk_wiz_0 clk_inst(.clk_out1(clk_200m),.clk_out2(clk_100m),.resetn(I_rstn),.locked(clk_locked),.clk_in1(I_clk));
//复位计数器模块
always @(posedge clk_100m)begin
if(!clk_locked)
rst_cnt <= 10'd0;
else if(rst_cnt[9] == 1'b0)
rst_cnt <= rst_cnt + 1'b1;
end
// FIFO写状态机
always @(posedge clk_200m)begin //写数据用200MHZ 时钟写
if(!rst_cnt[9]) //复位，重置相关寄存器
wr_cnt <= 11'd0;
else
wr_cnt <= almost_full? wr_cnt : wr_cnt+1'b1;//写计数器累加
end
FIFO32_2_128 FIFO32_2_128_inst0 (
.rst(fifo_rst), //FIFO 复位，高电平有效
.wr_clk(clk_200m), //FIFO 写时钟输入
.rd_clk(clk_100m), //FIFO 读时钟输入
.din({24'd0,wr_cnt[7:0]}), //FIFO 写数据输入，测试数据用wr_cnt[7:0]计数器作为输入，其他高位为0
.wr_en(!almost_full&rst_cnt[9]), //FIFO 写数据使能
.rd_en(valid), //FIFO 读数据使能
.dout(rd_data), //FIFO 读数据输出
.full(full), //FIFO 写通道满，该信号这里没使用
.almost_full(almost_full), //FIFO 写通道将满，该信号这里没使用
.empty(empty), //FIFO 读通道空，该信号这里没使用
.valid(valid), // FIFO 读通道，数据有效
.almost_empty(almost_empty), //FIFO 读通道将空，该信号这里没使用
.rd_data_count(rd_data_count), //FIFO 读FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近读FIFO中具有的数据个数
.wr_data_count(wr_data_count) //FIFO 写FIFO的计数器，这个计数器不精准，只是非常接近写FIFO中写入的数据个数
);
endmodule

复制代码

4.2.2RTL仿真结果

对于代码简单修改，仿真可以线点击1的位置重新load代码，然后再点击2运行。运行一会可以手动停止。

相信阅读完本文，根据本文把FIFO的例子做一遍你就能基本掌握FIFO的使用了，我是比较推荐第一种的半空半满法。

对于Stream接口的FIFO使用起来也差不多，因为本质上他们都是FIFO。在后期的课程中你们会看到Stream FIFO的应用，使用Steam接口有利于在新的FPGA设计中统一接口，方便代码的标准化，我们这里暂时就不讨论了。

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