【手撕代码】同步 FIFO、LIFO/Stack
FIFO 是FPGA设计中最有用的模块之一。FIFO 在模块之间提供简单的握手和同步机制,是设计人员将数据从一个模块传输到另一个模块的常用选择。
在这篇文章中,展示了一个简单的 RTL 同步 FIFO,可以直接在自己的设计中配置和使用它,该设计是完全可综合的。
为什么要自己设计FIFO
那么,为什么呢?网上有很多关于 FIFO 的 Verilog/VHDL 代码的资源,过去,我自己也使用过其中的一些。但令人沮丧的是,它们中的大多数都存在问题,尤其是在上溢出和下溢出条件下。所以想一劳永逸地解决这些问题。
FIFO 规格\性能
同步,单时钟。
基于寄存器的 FIFO,适用于中小型 FIFO。
Full、Empty、Almost-full、Almost-empty 标志。
完全可配置的数据宽度、深度和标志。
完全可综合的系统 Verilog 代码。
/*===============================================================================================================================Design : Single-clock Synchronous FIFODescription : Fully synthesisable, configurable Single-clock Synchronous FIFO based on registers.- Configurable Data width.- Configurable Depth.- Configurable Almost-full and Almost-empty signals.
===============================================================================================================================*/module my_fifo #(parameter DATA_W = 4 , // Data widthparameter DEPTH = 8 , // Depth of FIFO parameter UPP_TH = 4 , // Upper threshold to generate Almost-fullparameter LOW_TH = 2 // Lower threshold to generate Almost-empty)(input clk , // Clockinput rstn , // Active-low Synchronous Resetinput i_wren , // Write Enableinput [DATA_W - 1 : 0] i_wrdata , // Write-dataoutput o_alm_full , // Almost-full signaloutput o_full , // Full signalinput i_rden , // Read Enableoutput [DATA_W - 1 : 0] o_rddata , // Read-dataoutput o_alm_empty , // Almost-empty signaloutput o_empty // Empty signal);/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Internal Registers/Signals
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/logic [DATA_W - 1 : 0] data_rg [DEPTH] ; // Data array
logic [$clog2(DEPTH) - 1 : 0] wrptr_rg ; // Write pointer
logic [$clog2(DEPTH) - 1 : 0] rdptr_rg ; // Read pointer
logic [$clog2(DEPTH) : 0] dcount_rg ; // Data counterlogic wren_s ; // Write Enable signal generated iff FIFO is not full
logic rden_s ; // Read Enable signal generated iff FIFO is not empty
logic full_s ; // Full signal
logic empty_s ; // Empty signal/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Synchronous logic to write to and read from FIFO
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/
always @ (posedge clk) beginif (!rstn) begin data_rg <= '{default: '0} ;wrptr_rg <= 0 ;rdptr_rg <= 0 ; dcount_rg <= 0 ;endelse beginready_rg <= 1'b1 ;/* FIFO write logic */ if (wren_s) begin data_rg [wrptr_rg] <= i_wrdata ; // Data written to FIFOif (wrptr_rg == DEPTH - 1) beginwrptr_rg <= 0 ; // Reset write pointer endelse beginwrptr_rg <= wrptr_rg + 1 ; // Increment write pointer endend/* FIFO read logic */if (rden_s) begin if (rdptr_rg == DEPTH - 1) beginrdptr_rg <= 0 ; // Reset read pointerendelse beginrdptr_rg <= rdptr_rg + 1 ; // Increment read pointer endend/* FIFO data counter update logic */if (wren_s && !rden_s) begin // Write operationdcount_rg <= dcount_rg + 1 ;end else if (!wren_s && rden_s) begin // Read operationdcount_rg <= dcount_rg - 1 ; endendend/*-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Continuous Assignments
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------*/// Full and Empty internal
assign full_s = (dcount_rg == DEPTH) ? 1'b1 : 0 ;
assign empty_s = (dcount_rg == 0 ) ? 1'b1 : 0 ;// Write and Read Enables internal
assign wren_s = i_wren & !full_s ;
assign rden_s = i_rden & !empty_s ;// Full and Empty to output
assign o_full = full_s ;
assign o_empty = empty_s ;// Almost-full and Almost Empty to output
assign o_alm_full = (dcount_rg > UPP_TH) ? 1'b1 : 0 ;
assign o_alm_empty = (dcount_rg < LOW_TH) ? 1'b1 : 0 ;// Read-data to output
assign o_rddata = data_rg [rdptr_rg] ; endmodule/*=============================================================================================================================*/
基于 RAM 的 FIFO
在上面的步骤中,我们看到了一个基于寄存器的同步FIFO。接下来,我们来看看基于 RAM 的 FIFO。该 FIFO 在 RAM 而不是寄存器上实现其数据阵列。这适用于在硬件上实现大型 FIFO ;特别是在 FPGA 上,FPGA 里有大量的Block RAM 可用。这将降低资源利用率,也可以获得更好的时序性能。
详细代码:
❝
https://github.com/iammituraj/FIFOs
❞
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