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第十五章 IP核之FIFO实验
FIFO的英文全称是First In First Out，即先进先出。FPGA使用的FIFO一般指的是对数据的存储具有先进先出特性的一个缓存器，常被用于数据的缓存,或者高速异步数据的交互也即所谓的跨时钟域信号传递。它与FPGA内部的RAM和ROM的区别是没有外部读写地址线，采取顺序写入数据，顺序读出数据的方式，使用起来简单方便，由此带来的缺点就是不能像RAM和ROM那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。本章我们将对Vivado软件生成的FIFO IP核进行读写测试，来向大家介绍Xilinx FIFO IP核的使用方法。
本章包括以下几个部分：
15.1 FIFO IP核简介
15.2 实验任务
15.3 硬件设计
15.4 程序设计
15.5 下载验证
15.1 FIFO IP核简介
根据FIFO工作的时钟域，可以将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO。同步FIFO是指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。异步FIFO是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的。Xilinx的FIFO IP核可以被配置为同步FIFO或异步FIFO，其信号框图如下图所示。从图中可以了解到，当被配置为同步FIFO时，只使用wr_clk,所有的输入输出信号都同步于wr_clk信号。而当被配置为异步FIFO时，写端口和读端口分别有独立的时钟，所有与写相关的信号都是同步于写时钟wr_clk，所有与读相关的信号都是同步于读时钟rd_clk。
图 7.5.13.1 Xilinx的FIFO IP核的信号框图
对于FIFO需要了解一些常见参数：
FIFO的宽度：FIFO一次读写操作的数据位N。
FIFO的深度：FIFO可以存储多少个宽度为N位的数据。
将空标志：almost_empty。FIFO即将被读空。
空标志：empty。FIFO已空时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO的读操作继续从FIFO中读出数据而造成无效数据的读出。
将满标志：almost_full。FIFO即将被写满。
满标志：full。FIFO已满或将要写满时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO的写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出。
读时钟：读FIFO时所遵循的时钟，在每个时钟的上升沿触发。
写时钟：写FIFO时所遵循的时钟，在每个时钟的上升沿触发。
这里请注意，“almost_empty”和“almost_full”这两个信号分别被看作“empty”和“full”的警告信号，他们相对于真正的空（empty）和满（full）都会提前一个时钟周期拉高。
对于FIFO的基本知识先了解这些就足够了，可能有人会好奇为什么会有同步FIFO和异步FIFO，它们各自的用途是什么。之所以有同步FIFO和异步FIFO是因为各自的作用不同。同步FIFO常用于同步时钟的数据缓存，异步FIFO常用于跨时钟域的数据信号的传递，例如时钟域A下的数据data1传递给异步时钟域B，当data1为连续变化信号时，如果直接传递给时钟域B则可能会导致收非所送的情况，即在采集过程中会出现包括亚稳态问题在内的一系列问题，使用异步FIFO能够将不同时钟域中的数据同步到所需的时钟域中。
15.2 实验任务
本节的实验任务是使用Vivado生成FIFO IP核，并实现以下功能：当FIFO为空时，向FIFO中写入数据，写入的数据量和FIFO深度一致，即FIFO被写满；然后从FIFO中读出数据，直到FIFO被读空为止，以此向大家详细介绍一下FIFO IP核的使用方法。
15.3 硬件设计
本章实验只用到了输入的时钟信号和按键复位信号，没有用到其它硬件外设。
本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示。
表 15.3.1 IP实验管脚分配
信号名 方向 管脚 端口说明 电平标准
sys_clk input U18 系统时钟，50Mhz LVCMOS33
sys_rst_n input N16 系统复位，低有效 LVCMOS33
对应的XDC约束语句如下所示：
create_clock -period 20.000 -name clk [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN U18 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_clk]
set_property -dict {PACKAGE_PIN N16 IOSTANDARD LVCMOS33} [get_ports sys_rst_n]
15.4 程序设计
根据实验任务要求和模块化设计的思想，我们需要如下4个模块：fifo IP核、写fifo模块、读fifo模块以及顶层例化模块实现前三个模块的信号交互。由于FIFO多用于跨时钟域信号的处理，所以本实验我们使用异步FIFO来向大家详细介绍双时钟FIFO IP核的创建和使用。为了方便大家理解，这里我们将读/写时钟都用系统时钟来驱动。系统的功能框图如下图所示：
图 7.5.13.1 系统框图
首先创建一个名为ip_fifo的工程，接下来我们创建fifo IP核。在Vivado软件的左侧“Flow Navigator”栏中单击“IP Catalog”，“IP Catalog”按钮以及单击后弹出的“IP Catalog”窗口如下图所示。
图 7.5.13.2 “IP Catalog”按钮
图 7.5.13.3 “IP Catalog”窗口
在“IP Catalog”窗口中，在搜索栏中输入“fifo”关键字，这时Vivado会自动查找出与关键字匹配的IP核名称，我们双击“FIFO Generator”，如下图所示。
图 7.5.13.4 搜索栏中输入关键字
弹出“Customize IP”窗口，如下图所示。
图 7.5.13.5 “Customize IP”窗口
接下来就是配置IP核的时钟参数的过程。
最上面的“Component Name”一栏设置该IP元件的名称，这里保持默认即可。在第一个“Basic”选项卡中，“Interface Type”选项用于选择FIFO接口的类型，这里我们选择默认的“Native”，即传统意义上的FIFO接口。“Fifo Implementation”选项用于选择我们想要实现的是同步FIFO还是异步FIFO以及使用哪种资源实现FIFO，这里我们选择“Independent Clocks Block RAM”,即使用块RAM来实现的异步FIFO。如下图所示。
图 7.5.13.6 “Basic”选项卡
接下来是“Native Ports”选项卡，用于设置FIFO端口的参数。“Read Mode”选项用于设置读FIFO时的读模式，这里我们选择默认的“Standard FIFO”。“Data Port Parameters”一栏用于设置读写端口的数据总线的宽度以及FIFO的深度，写宽度“Write Width”我们设置为8位，写深度“Write Depth”我们设置为256，注意此时FIFO IP核所能实现的实际深度却是255；虽然读宽度“Read Width”能够设置成和写宽度不一样的位宽，且此时读深度“Read Depth”会根据上面三个参数被动地自动设置成相应的值；但是我们还是将读宽度“Read Width”设置成和写宽度“Write Width”一样的位宽，这也是在实际应用中最常用的情况。由于我们只是观察FIFO的读写，所以最下面的“Reset Pin”选项我们可以不使用，把它取消勾选。其他设置保持默认即可，如下图所示。
图 7.5.13.7 “Native Ports”选项卡
“Status Flags”选项卡，用于设置用户自定义接口或者用于设定专用的输入口。这里我们使用“即将写满”和“即将读空”这两个信号，所以我们把它们勾选上，其他保持默认即可，如下图所示。
图 7.5.13.8 “Status Flags”选项卡
“Data Counts”选项卡用于设置FIFO内数据计数的输出信号，此信号表示当前在FIFO内存在多少个有效数据。为了更加方便地观察读/写过程，这里我们把读/写端口的数据计数都打开，且计数值总线的位宽设置为满位宽，即8位，如下图所示。
图 7.5.13.9 “Data Counts”选项卡
最后的“Summary”选项卡是对前面所有配置的一个总结，在这里我们直接点击“OK”按钮即可，如下图所示。
图 7.5.13.10 “Summary”选项卡
接着就弹出了“Genarate Output Products”窗口，我们直接点击“Generate”即可，如下图所示。
图 7.5.13.11 “Genarate Output Products”窗口
之后我们就可以在“Design Run”窗口的“Out-of-Context Module Runs”一栏中出现了该IP核对应的run“fifo_generator_0_synth_1”，其综合过程独立于顶层设计的综合，所以在我们可以看到其正在综合，如下图所示。
图 7.5.13.12 “fifo_generator _0_synth_1”run
在其Out-of-Context综合的过程中，我们就可以进行RTL编码了。首先打开IP核的例化模板，在“Source”窗口中的“IP Sources”选项卡中，依次用鼠标单击展开“IP”-“fifo_generator _0”-“Instantitation Template”，我们可以看到“fifo_generator_0.veo”文件，它是由IP核自动生成的只读的verilog例化模板文件，双击就可以打开它，如下图所示。
图 7.5.13.13 “fifo_generator_0.veo”文件
我们创建一个verilog源文件，其名称为ip_fifo.v，作为顶层模块，其代码如下：
1 module ip_fifo(
2 input sys_clk , // 时钟信号
3 input sys_rst_n // 复位信号
4 );
5
6 //wire define
7 wire fifo_wr_en ; // FIFO写使能信号
8 wire fifo_rd_en ; // FIFO读使能信号
9 wire [7:0] fifo_din ; // 写入到FIFO的数据
10 wire [7:0] fifo_dout ; // 从FIFO读出的数据
11 wire almost_full ; // FIFO将满信号
12 wire almost_empty ; // FIFO将空信号
13 wire fifo_full ; // FIFO满信号
14 wire fifo_empty ; // FIFO空信号
15 wire [7:0] fifo_wr_data_count ; // FIFO写时钟域的数据计数
16 wire [7:0] fifo_rd_data_count ; // FIFO读时钟域的数据计数
17
18 //*****************************************************
19 //** main code
20 //*****************************************************
21
22 //例化FIFO IP核
23 fifo_generator_0 fifo_generator_0 (
24 .wr_clk ( sys_clk ), // input wire wr_clk
25 .rd_clk ( sys_clk ), // input wire rd_clk
26
27 .wr_en ( fifo_wr_en ), // input wire wr_en
28 .rd_en ( fifo_rd_en ), // input wire rd_en
29
30 .din ( fifo_din ), // input wire [7 : 0] din
31 .dout ( fifo_dout ), // output wire [7 : 0] dout
32
33 .almost_full (almost_full ), // output wire almost_full
34 .almost_empty (almost_empty ), // output wire almost_empty
35 .full ( fifo_full ), // output wire full
36 .empty ( fifo_empty ), // output wire empty
37
38 .wr_data_count ( fifo_wr_data_count ), // output wire [7 : 0] wr_data_count
39 .rd_data_count ( fifo_rd_data_count ) // output wire [7 : 0] rd_data_count
40 );
41
42 //例化写FIFO模块
43 fifo_wr u_fifo_wr(
44 .clk ( sys_clk ), // 写时钟
45 .rst_n ( sys_rst_n ), // 复位信号
46
47 .fifo_wr_en ( fifo_wr_en ) , // fifo写请求
48 .fifo_wr_data ( fifo_din ) , // 写入FIFO的数据
49 .almost_empty ( almost_empty ), // fifo将空信号
50 .almost_full ( almost_full ) // fifo将满信号
51 );
52
53 //例化读FIFO模块
54 fifo_rd u_fifo_rd(
55 .clk ( sys_clk ), // 读时钟
56 .rst_n ( sys_rst_n ), // 复位信号
57
58 .fifo_rd_en ( fifo_rd_en ), // fifo读请求
59 .fifo_dout ( fifo_dout ), // 从FIFO输出的数据
60 .almost_empty ( almost_empty ), // fifo将空信号
61 .almost_full ( almost_full ) // fifo将满信号
62 );
63
64 //例化ILA IP核
65 ila_0 ila_0 (
66 .clk ( sys_clk ), // input wire clk
67
68 .probe0 ( fifo_wr_en ), // input wire [0:0] probe0
69 .probe1 ( fifo_rd_en ), // input wire [0:0] probe1
70 .probe2 ( fifo_din ), // input wire [7:0] probe2
71 .probe3 ( fifo_dout ), // input wire [7:0] probe3
72 .probe4 ( fifo_empty ), // input wire [0:0] probe4
73 .probe5 ( almost_empty ), // input wire [0:0] probe5
74 .probe6 ( fifo_full ), // input wire [0:0] probe6
75 .probe7 ( almost_full ), // input wire [0:0] probe7
76 .probe8 ( fifo_wr_data_count ), // input wire [7:0] probe8
77 .probe9( fifo_rd_data_count ) // input wire [7:0] probe9
78 );
79
80 endmodule
顶层模块主要是对FIFO IP核、写FIFO模块、读FIFO模块进行例化，除此之外本实验还生成并例化了一个ILA IP核，用于对顶层模块信号的进行在线捕获观察。
写FIFO模块fifo_wr.v源文件的代码如下：
1 module fifo_wr(
2 input clk , // 时钟信号
3 input rst_n , // 复位信号
4
5 input almost_empty, // FIFO将空信号
6 input almost_full , // FIFO将满信号
7 output reg fifo_wr_en , // FIFO写使能
8 output reg [7:0] fifo_wr_data // 写入FIFO的数据
9 );
10
11 //reg define
12 reg [1:0] state ; //动作状态
13 reg almost_empty_d0 ; //almost_empty 延迟一拍
14 reg almost_empty_syn ; //almost_empty 延迟两拍
15 reg [3:0] dly_cnt ; //延迟计数器
16 //*****************************************************
17 //** main code
18 //*****************************************************
19
20 //因为 almost_empty 信号是属于FIFO读时钟域的
21 //所以要将其同步到写时钟域中
22 always@( posedge clk ) begin
23 if( !rst_n ) begin
24 almost_empty_d0 <= 1'b0 ;
25 almost_empty_syn <= 1'b0 ;
26 end
27 else begin
28 almost_empty_d0 <= almost_empty ;
29 almost_empty_syn <= almost_empty_d0 ;
30 end
31 end
32
33 //向FIFO中写入数据
34 always @(posedge clk ) begin
35 if(!rst_n) begin
36 fifo_wr_en <= 1'b0;
37 fifo_wr_data <= 8'd0;
38 state <= 2'd0;
39 dly_cnt <= 4'd0;
40 end
41 else begin
42 case(state)
43 2'd0: begin
44 if(almost_empty_syn) begin //如果检测到FIFO将被读空（下一拍就会空）
45 state <= 2'd1; //就进入延时状态
46 end
47 else
48 state <= state;
49 end
50 2'd1: begin
51 if(dly_cnt == 4'd10) begin //延时10拍
52 //原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时
53 //延迟10拍以等待状态信号更新完毕
54 dly_cnt <= 4'd0;
55 state <= 2'd2; //开始写操作
56 fifo_wr_en <= 1'b1; //打开写使能
57 end
58 else
59 dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
60 end
61 2'd2: begin
62 if(almost_full) begin //等待FIFO将被写满（下一拍就会满）
63 fifo_wr_en <= 1'b0; //关闭写使能
64 fifo_wr_data <= 8'd0;
65 state <= 2'd0; //回到第一个状态
66 end
67 else begin //如果FIFO没有被写满
68 fifo_wr_en <= 1'b1; //则持续打开写使能
69 fifo_wr_data <= fifo_wr_data + 1'd1; //且写数据值持续累加
70 end
71 end
72 default : state <= 2'd0;
73 endcase
74 end
75 end
76
77 endmodule
fifo_wr模块的核心部分是一个不断进行状态循环的小状态机，如果检测到FIFO为空，则先延时10拍，这里注意，由于FIFO的内部信号的更新比实际的数据读/写操作有所延时，所以延时10拍的目的是等待FIFO的空/满状态信号、数据计数信号等信号的更新完毕之后再进行FIFO写操作，如果写满，则回到状态0，即等待FIFO被读空，以进行下一轮的写操作。
读FIFO模块fifo_rd.v源文件的代码如下：
1 module fifo_rd(
2 input clk , // 时钟信号
3 input rst_n , // 复位信号
4
5 input [7:0] fifo_dout , // 从FIFO读出的数据
6 input almost_full , // FIFO将满信号
7 input almost_empty , // FIFO将空信号
8 output reg fifo_rd_en // FIFO读使能
9 );
10
11 //reg define
12 reg [1:0] state ; //状态
13 reg almost_full_d0 ; //almost_full延迟一拍
14 reg almost_full_syn ; //almost_full延迟两拍
15 reg [3:0] dly_cnt ; //延迟计数器
16
17 //*****************************************************
18 //** main code
19 //*****************************************************
20
21 //因为 fifo_full 信号是属于FIFO写时钟域的
22 //所以要将其同步到读时钟域中
23 always@( posedge clk ) begin
24 if( !rst_n ) begin
25 almost_full_d0 <= 1'b0 ;
26 almost_full_syn <= 1'b0 ;
27 end
28 else begin
29 almost_full_d0 <= almost_full ;
30 almost_full_syn <= almost_full_d0 ;
31 end
32 end
33
34 //读出FIFO的数据
35 always @(posedge clk ) begin
36 if(!rst_n) begin
37 fifo_rd_en <= 1'b0;
38 state <= 2'd0;
39 dly_cnt <= 4'd0;
40 end
41 else begin
42 case(state)
43 2'd0: begin
44 if(almost_full_syn) //如果检测到FIFO被写满
45 state <= 2'd1; //就进入延时状态
46 else
47 state <= state;
48 end
49 2'd1: begin
50 if(dly_cnt == 4'd10) begin //延时10拍
51 //原因是FIFO IP核内部状态信号的更新存在延时
52 //延迟10拍以等待状态信号更新完毕
53 dly_cnt <= 4'd0;
54 state <= 2'd2; //开始读操作
55 end
56 else
57 dly_cnt <= dly_cnt + 4'd1;
58 end
59 2'd2: begin
60 if(almost_empty) begin //等待FIFO将被读空（下一拍就会空）
61 fifo_rd_en <= 1'b0; //关闭读使能
62 state <= 2'd0; //回到第一个状态
63 end
64 else //如果FIFO没有被读空
65 fifo_rd_en <= 1'b1; //则持续打开读使能
66 end
67 default : state <= 2'd0;
68 endcase
69 end
70 end
71
72 endmodule
读模块的代码结构与写模块几乎一样，也是使用一个不断进行状态循环的小的状态机来控制操作过程，读者参考着代码应该很容易能够理解，这里就不再赘述。
我们对代码进行仿真，TestBench中只要送出时钟的复位信号即可。TB文件如下：
1 `timescale 1ns / 1ps
2 module tb_ip_fifo( );
3 // Inputs
4 reg sys_clk;
5 reg sys_rst_n;
6
7 // Instantiate the Unit Under Test (UUT)
8 ip_fifo u_ip_fifo (
9 .sys_clk (sys_clk),
10 .sys_rst_n (sys_rst_n)
11 );
12
13 //Genarate the clk
14 parameter PERIOD = 20;
15 always begin
16 sys_clk = 1'b0;
17 #(PERIOD/2) sys_clk = 1'b1;
18 #(PERIOD/2);
19 end
20
21 initial begin
22 // Initialize Inputs
23 sys_rst_n = 0;
24 // Wait 100 ns for global reset to finish
25 #100 ;
26 sys_rst_n = 1;
27 // Add stimulus here
28 end
29
30 endmodule
写满后转为读的仿真波形图如下图所示：
图 7.5.13.14 Vivado仿真波形1
由波形图可知，当写满255个数据后，fifo_full满信号就会拉高。经过延时之后，fifo_rd_en写使能信号拉高，经过一拍之后就开始将fifo中的数据送到fifo_dout端口上。
写满后转为读的仿真波形图如下图所示：
图 7.5.13.15 Vivado仿真波形2
由波形图可知，当读完255个数据后，fifo_empty空信号就会拉高。经过延时之后，fifo_wr_en写使能信号拉高，经过一拍之后就开始向fifo中继续写入数据。
15.5 下载验证
编译工程并生成比特流.bit文件，将比特流.bit文件下载到Zynq中。
下载完成后，接下来在Vivado中会自动出现“hw_ila_1”Dashboard窗口。如下图所示：
图 7.5.13.1 将探针信号添加到波形窗口中
将有关探针信号添加到波形窗口中，这里我们已经完成信号的添加，方法是点击“hw_ila_1”Dashboard窗口左上角的“+”。同时我们在窗口右下角将“fifo_rd_en”信号添加到触发窗口中且设置为上升沿触发，
单击左上角的触发按钮，如下图所示：
图 7.5.13.2 触发按钮
最后就看到了ILA捕获得到的数据，展开波形图如下图所示：
图 7.5.13.3 捕获得到的波形图
从捕获得到的波形图中可以看出，其逻辑行为与仿真波形图中的一致，证明我们的代码正确地实现了预期的功能.