Verilog：同步FIFO使用计数器的写法_fifo写法

同步FIFO（First in first out），先入先出。

Deign Spec：

• 输入信号：clk；
• 输入信号：异步复位信号：rstn；
• 输入信号：写使能：wr_en；
• 输入信号：写数据：wr_data；//时序逻辑，先判断写使能 wr_en 是否有效，有效情况下如果没有写满，则写入数据，如果满了，判断读使能 rd_en ，如果读使能有效能可以继续写数据。
• 输入信号：读使能：rd_en；
• 输出信号：读数据：rd_data；//时序逻辑，先判断读使能 rd_en 是否有效，有效情况下如果内存非空，则取上一个周期指针位置的数据作为读数据，如果内存为空，则判断写使能，如果写使能有效则直接将写数据 wr_data 作为读数据输出，无效时输出0。
• 输出信号：内存满信号：full；//如果计数器 cnt 等于内存深度，则 full 为1
• 输出信号：内存空信号：empty；//如果计数器 cnt 为0，则 empty 为
• 读指针：rd_ptr；//时序逻辑，先判断写使能 rd_en 是否有效，有效情况如果内存非空则+1，如果内存空了，判断 wr_en 是否有效，如果有效则+1，否则不变。
• 写指针：wr_ptr；//时序逻辑，先判断写使能 wr_en 是否有效，有效情况如果内存非满则+1，如果内存满了，判断 rd_en 是否有效，如果有效则+1，否则不变。
• 内存：mem；//内存深度要为 2^n 大小，即指针可以通过+1自动循环。
• 计数器：cnt；//如果 wr_en 和 rd_en 同时有效，则无论内存空满，cnt不变。如果单纯是 wr_en 有效且非满的情况下，cnt+1，如果单纯是 rd_en 有效且非空的情况下 cnt-1

RTL代码：

module sync_fifo#(
	parameter DEPTH = 16,	//DEPTH = 2^n
	parameter WIDTH = 8
)(
	input				clk,
	input				rstn,
	
	//write
	input				wr_en,		//write enable
	input [WIDTH-1:0]	wr_data,	//write data
	output				full,
	
	//read
	input				rd_en,		//read enable
	output reg [WIDTH-1:0]	rd_data,	//read data
	output				empty,
	
	output reg [$clog2(DEPTH):0] cnt
);
 
	reg	[$clog2(DEPTH)-1:0] rd_ptr, wr_ptr;
	reg	[WIDTH-1:0]	mem	[0:DEPTH-1];
 
	//********** read start **********//
	always@(posedge clk, negedge rstn) begin
		if(~rstn) begin
			rd_ptr <= 0;
		end
		else if(rd_en && ~empty) begin
			rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
		end
		else if(rd_en && empty && wr_en) begin
			rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
		end
	end
	
	always@(posedge clk, negedge rstn) begin
		if(~rstn) begin
			rd_data <= 0;
		end
		else if(rd_en && ~empty) begin
			rd_data <= mem[rd_ptr];
		end
		else if(rd_en && empty && wr_en) begin
			rd_data <= wr_data;
		end
		else begin
			rd_data <= 0;
		end
	end
	//********** read end **********//
	
	//********** write start **********//
	always@(posedge clk, negedge rstn) begin
		if(~rstn) begin
			wr_ptr <= 0;
		end
		else if(wr_en && ~full) begin
			wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
		end
		else if(wr_en && full && rd_en) begin
			wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
		end
	end
	
	always@(posedge clk) begin
		if(wr_en && ~full) begin
			mem[wr_ptr] <= wr_data;
		end
		else if(wr_en && full && rd_en) begin
			mem[wr_ptr] <= wr_data;
		end
	end
	//********** write end **********//
	
	//********** cnt **********//
	always@(posedge clk, negedge rstn) begin
		if(~rstn) begin
			cnt <= 0;
		end
		else if(wr_en && rd_en) begin
			cnt <= cnt;
		end
		else if(wr_en && ~full) begin
			cnt <= cnt + 1'b1;
		end
		else if(rd_en && ~empty) begin
			cnt <= cnt - 1'b1;
		end
	end
	
	assign full = (cnt == DEPTH);
	assign empty = (cnt == 0);
 
endmodule

TB代码：

module test#(
	parameter DEPTH = 16,
	parameter WIDTH = 8
);
 
	reg		clk;
	reg 	rstn;
	reg 	wr_en;
	reg 	[WIDTH-1:0] wr_data;
	wire	full;
	reg 	rd_en;
	wire	[WIDTH-1:0]	rd_data;
	wire	empty;
	wire	[$clog2(DEPTH):0]	cnt;
	
	sync_fifo 	u0(
		.clk(clk),
		.rstn(rstn),
		.wr_en(wr_en),
		.wr_data(wr_data),
		.full(full),
		.rd_en(rd_en),
		.rd_data(rd_data),
		.empty(empty),
		.cnt(cnt)
	);
	
	initial begin
		clk = 0;
		rstn = 0;
		wr_en = 0;
		wr_data = 0;
		rd_en = 0;
		#30	rstn = 1;
	end
	
	always #10 clk = ~clk;
	
	always@(posedge clk) begin
		if(({$random()}%16)<10) wr_en <= 1;
		else wr_en <= 0;
		if(({$random()}%16)<7) rd_en <= 1;
		else rd_en <= 0;
	end
 	
	always@(posedge clk) begin
		wr_data <= {$random()} & 8'hff;
	end
	
	initial begin
		#4000 $finish;
	end
	
endmodule

波形：