数字IC手撕代码-同步FIFO
前言:
本专栏旨在记录高频笔面试手撕代码题,以备数字前端秋招,本专栏所有文章提供原理分析、代码及波形,所有代码均经过本人验证。
目录如下:
1.数字IC手撕代码-分频器(任意偶数分频)
2.数字IC手撕代码-分频器(任意奇数分频)
3.数字IC手撕代码-分频器(任意小数分频)
4.数字IC手撕代码-异步复位同步释放
5.数字IC手撕代码-边沿检测(上升沿、下降沿、双边沿)
6.数字IC手撕代码-序列检测(状态机写法)
7.数字IC手撕代码-序列检测(移位寄存器写法)
8.数字IC手撕代码-半加器、全加器
9.数字IC手撕代码-串转并、并转串
10.数字IC手撕代码-数据位宽转换器(宽-窄,窄-宽转换)
11.数字IC手撕代码-有限状态机FSM-饮料机
12.数字IC手撕代码-握手信号(READY-VALID)
13.数字IC手撕代码-流水握手(利用握手解决流水线断流、反压问题)
14.数字IC手撕代码-泰凌微笔试真题
15.数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题
16.数字IC手撕代码-兆易创新笔试真题
17.数字IC手撕代码-乐鑫科技笔试真题(4倍频)
18.数字IC手撕代码-双端口RAM(dual-port-RAM)
...持续更新
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目录
原理介绍
同步FIFO的工作方式
FIFO空满的产生
计数器判断空满
代码
Dual Port RAM
sync_FIFO
testbench
波形图
原理介绍
在设计系统时,会包含工作在不同时钟频率下的元件,例如处理器和外设。数据在这些元件之间传输时先进先出(FIFO first in first out)阵列起到了重要作用。FIFO是用于对在通信总线上传输的数据进行排列的简单存储结构。
因此,FIFO常用来传输跨不同时钟域的数据。
本节介绍简单的同步FIFO架构,读写使用同样的时钟,为我们后续写异步FIFO(读写时钟非同源)做铺垫。
下面给出了一个同步FIFO的通用架构,DPRAM(Dual Port RAM 双端口RAM)作为存储器来存储信息,在此之上添加判断DPRAM空满信息的组件后,整个模块就是一个同步FIFO了,读写分别使用不同的使能和地址信号(读、写使能,读、写地址分立),使得整个模块可以进行同时读写。
通过读、写指针产生各自的读、写地址,送到读、写端口。写指针指向下一个要写入的地址,读指针指向下一个要读取的地址。有效写使能使得写指针递增, 有效的读使能使读指针递增。
图中的“状态模块”产生FIFO的空满信号,如果“fifo_full”有效,则说明FIFO内部的空间已满,不能再写入数据。如果“fifo_empty”有效,则说明FIFO内乜有可供读取的下一个有效数据。通过对读写指针位置的判断,该模块也可以指示出任意时刻FIFO中空或满区域的个数。
同步FIFO的工作方式
复位后,读写指针都归0。此时“fifo_empty”信号置为有效而“fifo_full”保持低电平。因为FIFO为空,所以阻止对FIFO的读操作,只能进行写操作。后续的写操作会增加写指针的值,并将“fifo_empty”信号置为无效。在写到最后一个数据时,写指针等于RAM_SIZE-1。此时进行一个写指针会使写指针滚回到0,并将“fifo_full”信号置为高电平。
总之,在读、写指针相等时,FIFO要么空要么满,所以需要对两种情况进行区分。
FIFO空满的产生
以深度为4的FIFO为例,一开始读写指针指向同一个位置,FIFO为空。写入三个数据之后,写指针指向RAM_SIZE-1=3的位置,此时再写入一个数据,写指针(wr_ptr)滚回0,和读指针指向同一个位置,此时FIFO为满。
根据这种逻辑,很容易推导出这么一个结论:无论读写指针此时指向什么位置,当wr_ptr+1==rd_ptr时,FIFO再写入一个数据就满了,所以有:
fifo_full = (rd_ptr == (wr_ptr + 1'b1))&& wr_fifo
从而有判断FIFO为满的RTL 代码:
always@(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)fifo_full <= 1'b0;else if(wr_fifo && rd_fifo);//do nothingelse if(rd_fifo)fifo_full <= 1'b0;else if((rd_ptr = wr_ptr + 1'b1) && wr_fifo)fifo_full <= 1'b1;
end
类似的,当读操作使得两个指针在下一个时钟相等时,FIFO变空,产生“fifo_empty”信号。有如下关系:无论读写指针此时指向什么位置,当rd_ptr+1==wr_ptr时,FIFO再读出一个数据就空了。
fifo_empty = (wr_ptr == (rd_ptr + 1'b1))&& rd_fifo
从而有判断FIFO为空的RTL 代码:
always @(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)fifo_empty <= 1'b1;else if(wr_fifo && rd_fifo);//do nothingelse if(wr_fifo)fifo_empty <= 1'b0;else if((wr_ptr = rd_ptr + 1'b1) && rd_fifo)fifo_empty <= 1'b1;
end
计数器判断空满
FIFO还有另一种利用计数器来指示FIFO空满的方法。
计数器的宽度要与FIFO的深度相等,这样计数器才能记录FIFO数据的最大个数。计数器在复位时初始化为0,随后的任何写操作会将其递增1,任何读操作会使其递减1。
在计数器为0时,很容易判断FIFO处于空状态,而当计数器的值等于FIFO的大小时,就能判断FIFO处于满状态。
对于这种采用计数器来判断空满的方式实现比较简单,但是和上一个比较读写指针位置的方法相比资源占用会高一些。因为这种方法要求增加额外的硬件(计数器)来进行计数。
代码
简单来说,FIFO就是一个有判断空满逻辑的双端口RAM,下面我们来写一下以指针循环一周期判断空满的方式的同步FIFO,但是在之前我们先要写一个双端口RAM来存储数据。
Dual Port RAM
module dual_port_ram#(parameter DEPTH = 16,parameter WIDTH = 8
)(input wr_clk ,input wr_en ,input [$clog(DEPTH)-1:0] wr_addr ,input [WIDTH-1:0] wr_data , input rd_clk ,input rd_en ,input [$clog(DEPTH)-1:0] rd_addr ,output [WIDTH-1:0] rd_data
);
reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [DEPTH-1:0];always @(posedge wr_clk)beginif(wr_en)RAM_MEM[wr_addr] <= wr_data;
endalways @(posedge rd_clk)beginif(rd_en)RAM_MEM[rd_addr] <= rd_data;
endendmodule
整个双端口RAM其实就是一个简单的写使能时,把数据写入输入的写地址。读使能时,把数据从地址里读出来的那么一个功能,后续在FIFO中例化该Dual Port RAM模块。
sync_FIFO
`include "clog.v"module sync_fifo#(parameter WIDTH = 8 ,parameter DEPTH = 16
)(input clk , input rstn , // reset while rstn is negative//write interfaceinput [WIDTH-1:0] data_in , // input data input wr_en , // write enable //read interfaceinput rd_en , // read enableoutput [WIDTH-1:0] data_out ,output reg fifo_empty ,output reg fifo_full
);//signal define
reg [clog(DEPTH)-1:0] wr_ptr;
reg [clog(DEPTH)-1:0] rd_ptr;wire wr_fifo;
wire rd_fifo;//write data opration
always @(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)wr_ptr <= 1'b0;else if(wr_fifo)wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
endassign wr_fifo = wr_en && !fifo_full;//read data opration
always @(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)rd_ptr <= 1'b0;else if(rd_fifo)rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
endassign rd_fifo = rd_en && !fifo_empty;//full signal judgment
always@(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)fifo_full <= 1'b0;else if(wr_fifo && rd_fifo);//do nothingelse if(rd_fifo)fifo_full <= 1'b0;else if((rd_ptr == wr_ptr + 1'b1) && wr_fifo)fifo_full <= 1'b1;
end//empty signal judgment
always @(posedge clk or negedge rstn)beginif(!rstn)fifo_empty <= 1'b1;else if(wr_fifo && rd_fifo);//do nothingelse if(wr_fifo)fifo_empty <= 1'b0;else if((wr_ptr == rd_ptr + 1'b1) && rd_fifo)fifo_empty <= 1'b1;
enddual_port_ram #(.DEPTH (DEPTH) ,.WIDTH (WIDTH)
)u_dual_port_ram
(.wr_clk (clk) , //sync FIFO ,wr_clk = rd_clk.wr_en (wr_fifo) ,.wr_addr (wr_ptr) ,.wr_data (data_in) ,.rd_clk (clk) ,.rd_en (rd_fifo) ,.rd_addr (rd_ptr) ,.rd_data (data_out)
);endmodule
此外,还写了一个判断位宽的函数clog.v
`ifndef MY_CLOG
`define MY_CLOGfunction integer clog (input integer depth);beginfor (clog=0; depth-1>0; clog=clog+1) depth = depth >>1; end
endfunction`endif
testbench
`timescale 1ns/1nsmodule sync_fifo_tb();parameter WIDTH = 8;
parameter DEPTH = 16;reg clk ;
reg rstn ;reg [WIDTH-1:0] data_in ;
reg rd_en ;
reg wr_en ;wire [WIDTH-1:0] data_out ;
wire empty ;
wire full ;always #5 clk = ~clk;initial beginclk <= 1'b0;rstn <= 1'b0;data_in <= 'd0;rd_en <= 1'b0;wr_en <= 1'b0;//write 16 times to make fifo full#10rstn <= 1'b1;repeat(16)begin@(negedge clk)beginwr_en <= 1'b1;data_in <= $random; // generate 8bit random number data_inendend//read 16 times to make fifo emptyrepeat(16)begin@(negedge clk)beginwr_en <= 1'b0;rd_en <= 1'b1;endend//read and write 8 timesrepeat(8)begin@(negedge clk)beginwr_en <= 1'b1;data_in <= $random; rd_en <= 1'b0;endend//Continuous read and writeforever begin@(negedge clk)beginwr_en <= 1'b1;data_in <= $random;rd_en <= 1'b1;endend
endinitial begin#800$finish();
endinitial begin$fsdbDumpfile("sync_fifo.fsdb");$fsdbDumpvars(0);
endsync_fifo #(.WIDTH (WIDTH) ,.DEPTH (DEPTH)
)u_sync_fifo
(.clk (clk) ,.rstn (rstn) ,.data_in (data_in) ,.rd_en (rd_en) ,.wr_en (wr_en) ,.data_out (data_out) ,.fifo_empty (empty) ,.fifo_full (full)
);endmodule
波形图
仿真结果和分析的结果一致, 写入16个数据将FIFO写满,此时full信号拉高;读出16个数据将FIFO读空,此时empty信号拉高;写入8个数据之后,同时读写,写入数据和读出数据均保持一致,功能正确。
了解了同步FIFO的设计方法后,再进行异步FIFO的设计就比较简单了,下篇博客记录如何写一个异步FIFO,解决FIFO中跨时钟域的问题。
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