FPGA原理与结构（12）——FIFO IP核原理学习_fpga原理和结构 pdf 在线

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一、FIFO概述

1、FIFO的定义

        FIFO是英文First-In-First-Out的缩写，是一种先入先出的数据缓冲器，与一般的存储器的区别在于没有地址线， 使用起来简单，缺点是只能顺序读写数据，其数据地址由内部读写指针自动加1完成，不能像普通存储器那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。

2、FIFO的作用

（1）跨时钟域的数据传输

（2）对不同宽度的数据进行位宽转换

（3）数据缓存

3、FIFO的分类

        根据FIFO工作的时钟域的不同，可以将FIFO分为以下两类

        （1）同步FIFO：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。常用于对不同宽度的数据进行位宽转换

        （2）异步FIFO：读写时钟不一致，读写操作是互相独立的。常用于跨时钟域的数据传输

4、FIFO的一些重要参数

（1）FIFO宽度：指的是FIFO读写的数据位，就像MCU有8位和16位，ARM 32位等等，FIFO的宽度在单片成品IC中是固定的，也有可选择的，如果用FPGA自己实现一个FIFO，其数据位，也就是宽度是可以自己定义的。

（2）FIFO深度：指的是FIFO可以存储多少个N位的数据（假设FIFO宽度为N）。

（3）满标志(full)：FIFO已满或将要满时由FIFO送出的状态信号，以阻止FIFO的写操作，避免数据溢出。

（4）空标志（empty）：FIFO已空或将要空时由FIFO送出的状态信号，以阻止FIFO的读操作，避免数据读空。

（5）读时钟：读操作的时钟，在每个时钟沿来临时读数据。

（6）写时钟：写操作的时钟，在每个时钟沿来临时写数据。

（7）读指针：指向下一个要读出的地址，读完后自动加1。

（8）写指针：指向下一个要写入的地址，写完后自动加1。

读写指针其实就是读写的地址，只不过这个地址不能任意选择，而是连续的。

二、FIFO IP核

        xilinx官方提供了FIFO Generator IP核来帮助我们快速实现FIFO。

1、支持的接口

        FIFO Generator这个IP核支持两种接口：Native（原始接口）和AXI（AXI接口）。

1.1 Native接口FIFO

        Native接口的FIFO可以被定制成通过BRAM或DRAM或（一些系类有）片上固定的FIFO资源来实现。支持 Standard 和 First Word Fall Through 两种操作模式。

 1.2 AXI接口FIFO

        AXI接口的FIFO是由Native接口的FIFO发展过来的，它能支持3中存储器映射的接口：AXI4,AXI3和AXI4-Lite。除了Native接口FIFO所具有的基本功能（毕竟是从Native升级过来的），带有AXI接口的FIFO还能用于AXI系统总线和点对点高速应用中。

        关于AXI的部分会在AMBA的文章中有深入讲解，这里只要知道FIFO这个IP核可以支持AXI接口就行（其实xilinx中非常多的IP核都能支持AXI接口，这也是其设计时的一个特点与优势）。本文接下来讨论的都是Native接口的情况。

2、Native FIFO的接口信号

         下图给出了一个具有独立读写时钟的FIFO的模块示意图（标准的接口和可选接口都展现了）

        这个图一看就挺恐怖的，没办法，学习嘛，逃不过的，不过饭要一口一口吃，信号要一个一个看，我们先来简单分个类：

2.1 接口信号：异步FIFO（FIFOs With Independent Clocks）

（1）特殊信号

        先来看2个特殊的信号：

（2）写接口信号

        我们来看一下和写操作相关的异步FIFO接口信号，这些信号中有些是标准接口下的（就是标配，肯定有的），还有一部分是可选的（附加功能，得加钱（bushi））。

（3）读接口信号

        有写就有读，很多地方都和写接口有着异曲同工之妙。

2.2 接口信号：同步FIFO（Interface Signals: FIFOs with Common Clock）

        看完了异步FIFO的接口信号，我们来看一看同步FIFO的接口信号，在理解了上一部分的基础上，这部分的内容就简单很多了。

        对于同步FIFO来说，所有的信号（异步复位信号除外）都同步于时钟，对于用DRAM或BRAM构成的FIFO来说，用户可以选择使用同步复位还是异步复位。

三、FIFO操作

1、写操作

        当写使能生效，并且FIFO没有满的时候，输入总线（din）上的数据写入FIFO，写确认信号生效。如果FIFO被连续写入而没有被读取，那么它被写满。只有当FIFO未满时，写操作才会成功。当FIFO已满，再启动写入时，将忽略请求，生效溢出标志，并且FIFO的状态没有变化（FIFO溢出是非破坏性的）。

        接下来我们通过一个例子来看看FIFO的写操作：

        我们一步一步来看：

（1）图中①处：wr_en写使能信号低，未开始写操作.

（2）图中②处：wr_en拉高，开始写操作，此时的full为低，说明FIFO没有满，写操作有效。

（3）图中③处：首先发现wr_ack有效，说明上一个时钟周期的D1成功写入，本周期和上一周期一样正常写数据进FIFO。

（4）图中④处：基本同上一周期，但是发现almost_full信号拉高，说明FIFO将满了。

（5）图中⑤处：full拉高了，FIFO满，写数据失败，但是对FIFO内的数据没有影响。

（6）图中⑥处：wr_ack拉低，证明了上一个周期写失败，此时FIFO依然满。

（7）图中⑦处：同上

（8）图中⑧处：full拉低，almost_full拉高，说明FIFO有了一个写入的空间，此时写入数据D12

（9）图中⑨处：ack表示D12成功写入，从full看出FIFO此时可以正常写入数据。

2、读操作

        当读使能有效，并且FIFO不空的时候，数据通过输出数据总线（dout）从FIFO中被读出，valid(有效)信号生效。如果FIFO被连续读取而没有被写入，则FIFO将清空。当FIFO不为空时，读取操作将会成功。当FIFO为空并请求读取时，将忽略读取操作，生效下溢出标志，并且FIFO的状态没有变化（下溢出FIFO是非破坏性的）。

2.1 Common Clock Note（同步FIFO一些值得注意的地方）

        当FIFO空(empty生效)的时候，当同时进行写和读操作时，则接受写操作，忽略读操作。在下一个时钟周期中，empty失效，underflow生效。

2.2 读操作模式

        FIFO Generator IP核支持两种读模式，标准读模式（standard read operation）和前显模式（FWFT，first-word fall-through）读操作。

        标准模式也即是默认模式，发出一个指令，在一定的时间延迟后才会读到第一个数据。而前显模式在请求它的同一周期中提供用户数据。但是不是所有的FIFO都支持前显模式的：

         看起来前显模式似乎更加好用，但是一般来说还是推荐使用标准模式，前显模式的特殊性会使得很多地方违反我们的常规认知。

（1）标准模式读操作

        和读操作的原理其实差别不大，这里不做详细解读了，读者可根据波形自行分析。

（2）前显模式读操作

         最初，FIFO不是空的，下一个可用的数据被放在输出总线（dout）上，有效信号（vaild）生效。当您生效rd_en时，在rd_clk的下一个上升时钟沿，将下一个数据字放到dout上。在最后一个数据字放在dout上后，一个额外的读取请求导致dout上的数据无效，如失效vaild和生效empty所示。任何进一步从FIFO读取的尝试都会导致下溢出状态。

        与标准读取模式不同，第一个单词通过的空标志是在从FIFO读取最后一个数据之后生效的。当empty生效时，将失效vaild。在标准读取模式中，当empty生效时，vaild还将保持一个周期的有效。FWFT特性还增加了FIFO的有效读深度。

四、非对称读写位宽

1、写位宽<读位宽

         接下来，我们来看一下输入信号，输出信号和握手信号之间的关系：

        简单说就是empty(空信号)只有当FIFO内数据足以满足一次读才会失效。 （不难理解，空是要指示读的，都不满一个数据（这里就是8位）就读肯定是不行的）。

2、写位宽>读位宽

        下图显示了一个高宽比为4：1的FIFO（写入宽度为8，读取宽度为2）。在本例中，执行单个写操作，之后执行四个读操作。写操作是11_00_01_11。当执行一个读取操作时，将数据被从左到右接收（MSB到LSB）。如图所示，第一次读取的结果为11，其次是00、01，然后是11。

         接下来，我们来看一下输入信号，输出信号和握手信号之间的关系：

         这里就是empty信号还是要满足有能够读的数据就不为空，这里是2位不是8位。

        其实都是符合我们常规认知的，很容易想通。

五、总结

        本文对于xilinx的FIFO Generator IP核进行了一个简单的介绍，解释了IP核中各个类型信号的具体功能。介绍了FIFO的读写操作，其中读操作又可以分成2种模式，推荐使用标准模式，最后介绍了FIFO的非对称读写位宽。关于这个IP核的具体使用和示例操作，将在后续的文章中带来。