fifoverilog詳解

一、fifoverilog代碼

module fifoverilog (
    input clock,
    input reset,
    input write,
    input read,
    input [7:0] data_in,
    output [7:0] data_out,
    output empty,
    output full
);

reg [7:0] fifo_memory [255:0];
reg [7:0] read_ptr = 0;
reg [7:0] write_ptr = 0;
wire [7:0] next_write_ptr = write_ptr + 1'b1;
wire [7:0] next_read_ptr = read_ptr + 1'b1;
wire [7:0] fifo_count = write_ptr - read_ptr;
assign empty = (fifo_count == 8'h00) ? 1'b1 : 1'b0;
assign full = (fifo_count == 8'hFF) ? 1'b1 : 1'b0;
assign data_out = fifo_memory[read_ptr];
always @(posedge clock) begin
    if (reset) begin
        read_ptr <= 8'h00;
        write_ptr <= 8'h00;
    end else begin
        if (write && !full) begin
            fifo_memory[write_ptr] <= data_in;
            write_ptr <= next_write_ptr;
        end
        if (read && !empty) begin
            read_ptr <= next_read_ptr;
        end
    end
end

endmodule

上面是fifoverilog的模塊代碼，它實現了一種”先進先出”的數據存儲方式，主要實現一種隊列的數據結構。它具有以下幾個基本功能：

1.數據寫入FIFO

2.數據讀取FIFO

3.判斷FIFO是否已滿

4.判斷FIFO是否為空

5.重置FIFO

fifoverilog的原理很簡單：它內部維護一個存儲器，當用戶向FIFO輸入數據時，FIFO將這些數據存儲在內部的存儲器中。然後，當用戶需要讀取這些數據時，FIFO將保存在存儲器中的數據返回給用戶。FIFO嚴格按照先進先出的順序讀取和返回數據。

二、同步FIFO Verilog

在fifoverilog中，數據可以同步寫入和同步讀取。當同步時，要麼一次寫入一個數據，要麼一次讀取一個數據。

module sync_fifo_verilog(clk, reset, data_in, data_out, wr_en, rd_en, full, empty);

input clk, reset, wr_en, rd_en;
input [7:0] data_in;
output [7:0] data_out;
output full, empty;

// synchronous FIFO parameters 
localparam WIDTH = 8; 
localparam DEPTH = 256; // 2^8 x WIDTH 
localparam ADDR_W = 8; // log2(DEPTH) 

reg [WIDTH-1:0] memory [DEPTH-1:0];
reg [ADDR_W-1:0] wr_ptr, rd_ptr; 
wire [ADDR_W-1:0] next_wr_ptr, next_rd_ptr; 
wire full_n, empty_n; 

assign full = ~full_n;
assign empty = ~empty_n;
assign data_out = memory[rd_ptr];

always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin
        wr_ptr <= 0;
        rd_ptr <= 0;
    end else begin
        if (wr_en && ~full_n) begin
            memory[wr_ptr] <= data_in;
            wr_ptr <= next_wr_ptr;
        end
        if (rd_en && ~empty_n) begin
            rd_ptr <= next_rd_ptr;
        end
    end
end

// next write/read ptr calculation 
assign next_wr_ptr = {wr_ptr[WIDTH-2:0], ~(&wr_ptr[WIDTH-1:0] & wr_en)};
assign next_rd_ptr = {rd_ptr[WIDTH-2:0], ~(&rd_ptr[WIDTH-1:0] & rd_en)};

// next empty/full calculation 
assign full_n = (next_wr_ptr == rd_ptr); 
assign empty_n = (wr_ptr == next_rd_ptr);

endmodule

在以上示例代碼中，存儲器的維度為256，大小為8位。這意味著FIFO可以存儲256個8位位元組。然後，我們使用「wr_en」和「rd_en」兩個輸入來存儲「寫使能」和「讀使能」。這些輸入用於同步地向FIFO輸入和輸出數據。FIFO內部維護兩個指針：wr_ptr和rd_ptr，它們會使用「next_wr_ptr」和「next_rd_ptr」計算下一次的位置。

三、Verilog同步非同步選取

在FPGA設計中，與FIFO有關的一項基本決策是使用同步還是非同步FIFO。

同步FIFO使用時鐘和同步複位信號，它適合於處理高速數據流，並且可以避免ASIC / FPGA設計中的時序問題。

非同步FIFO則適用於處理低速數據流，該FIFO不使用時鐘或重置信號，而使用信號使FIFO保持同步。像同步FIFO一樣，非同步FIFO可以減少在ASIC / FPGA設計中的時序問題。

// Asynchronous read FIFO
module async_read(clk, data_in, empty, data_out, rd_en);

input clk; 
input [7:0] data_in; 
output empty; 
output [7:0] data_out; 
input rd_en; 

// FIFO parameters 
localparam WIDTH = 8; 
localparam DEPTH = 256; // 2^8 x WIDTH  
localparam ADDR_W = 8; // log2(DEPTH) 

reg [WIDTH-1:0] memory [DEPTH-1:0];
reg [ADDR_W-1:0] wr_ptr, rd_ptr;
wire [ADDR_W-1:0] next_rd_ptr; 
wire empty_n; 

assign empty = ~empty_n;
assign data_out = memory[rd_ptr];

assign next_rd_ptr = rd_ptr + 1'b1;
assign empty_n = (wr_ptr == rd_ptr);

always @(posedge clk) begin
    if (rd_en && ~empty_n) begin
        rd_ptr <= next_rd_ptr; 
    end
end 

always @(posedge clk) begin 
    memory[wr_ptr] <= data_in; 
    wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;
end

endmodule

非同步FIFO與同步FIFO不同的是，它使用一個唯一的讀指針。在上面的代碼中，當輸入「rd_en」為有效時，讀指針會增加一個。然後，在「always」塊中，數據將被寫入內部存儲器。由於非同步FIFO只有一個讀指針，並且沒有時鐘或複位信號，所以當讀寫指針相同時，表示FIFO為空。