一、FIFO

1.1 定義

FIFO(First in First out)為先進先出隊列，具有存儲功能，可用于不同時鐘域間傳輸數據以及不同的數據寬度進行數據匹配。如其名稱，數據傳輸為單向，從一側進入，再從另一側出來，出來的順序和進入的順序相同。

1.2 實現方式

FIFO可由多種不同的實現方式，可以用塊狀RAM，分布式RAM來實現，也可直接使用IP核，當數據較小時，建議使用分布式RAM實現，數據較大時，用塊狀RAM實現。

1.3 實現原理

FIFO組成包含存儲單元，寫時鐘，讀時鐘，滿標志，空標志，讀寫控制信號，當讀時鐘和寫時鐘都是同一個時鐘時，則為同步FIFO，否則為異步FIFO。

a.首先，在復位操作后，在寫時鐘控制下，如果狀態非滿狀態，數據可寫入到FIFO中。每寫一次數據，寫指針加一，寫滿后將不允許再寫入；

b.當FIFO中數據非空時，在讀時鐘的控制下，數據可從FIFO中讀出。每讀一次數據，讀時鐘加一，位于下一個讀取的位置，在空狀態下，將不能繼續讀數據；

無論是同步FIFO還是異步FIFO，都是以雙口RAM為基礎來實現。

二、代碼實現

代碼為書籍《FPGA應用技術及實踐》中5.3.3 FIFO設計中的代碼，相比原代碼中，對read/write為00時，對count的值變化進行了修改，修改為count<=count更合理，設計為實現4X16的同步FIFO

module FIFO_V(rst,clk,data_in,data_out,read,write,empty,full );

input rst,clk;

input [15:0] data_in;

output reg [15:0] data_out;

input read,write;

output empty,full;

parameter depth=2,max_count=2'b11;

reg empty,full;

reg [depth-1:0] tail;

reg [depth-1:0] head;

reg [depth-1:0] count;

reg [15:0] fifomem [0:max_count];

//讀空判斷

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

data_out<=16'h0000;

end

else if(read==1'b1&&empty==1'b0)

begin

data_out<=fifomem[tail];

end

end

//寫滿判斷

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1'b0&&write==1'b1&&full==1'b0)

fifomem[head]<=data_in;

end

//寫操作

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

head<=2'b00;

else

begin

if(write==1'b1&&full==1'b0)

head<=head+1;

end

end

//讀操作

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

tail<=2'b00;

end

else if(read==1'b1&&empty==1'b0)

begin

tail<=tail+1;

end

end

//讀寫操作下的計數

always@(posedge clk)

begin

if(rst==1)

begin

count<=2'b00;

end

else

begin

case({read,write})

2'b00:count<=count;

2'b01:if(count!=max_count) count<=count+1;

2'b10:if(count!=2'b00) count<=count-1;

2'b11:count<=count;

endcase

end

end

//隊列空狀態判斷

always@(posedge clk)

begin

if(count==2'b00)

empty<=1'b1;

else

empty<=1'b0;

end

//隊列滿狀態判斷

always@(posedge clk)

begin

if(count==max_count)

full<=1'b1;

else

full<=1'b0;

end

endmodule

測試代碼

對于read和write信號，盡量避免在時鐘上升沿時進行狀態變化，如此處write翻轉在201ns，read翻轉在#252，即避免了和時鐘的上升沿同步，也避免了和write翻轉的同步

`timescale 1ns / 1ps

module FIFO_tb( );

reg clk,rst,write,read;

reg [15:0] data_in;

wire [15:0] data_out;

wire empty,full;

FIFO_V FIFO_test (.clk(clk),.rst(rst),.data_in(data_in),.write(write),.read(read),.empty(empty),.full(full),.data_out(data_out));

//初始狀態賦值

initial

begin

clk=0;

rst=1;

data_in=16'h1111;

#51 rst=0;

end

//寫操作

initial

begin

write=1;

#201 write=1;

#30 write=0;

#200 write=1;

#85 write=0;

//#10 write=1;

//#60 write=0;

end

//讀操作

initial

begin

read=0;

#252 read=1;

#200 read=0;

#100 read=1;

end

//輸入信號與時鐘信號生成

always #20 data_in=data_in+16'h1111;

always #10 clk=~clk;

endmodule

三、仿真結果

3.1 復位階段

在起始的50ns內，復位信號rst（紅色標注）為1時，進行復位操作，如黃色定位線所示，輸出data_out為0，empty和full標志為0；

3.2 寫入階段

在110.1ns時開始寫入，時間點不是110ns而是多了0.1ns是由于modelsim默認的開始時刻是0.1ns開始；因為count原先一直處于初始化狀態2'b00，在此時因為寫入進行了empty的邏輯判斷，因為empty為0；

在clk信號中1、2、3、4上升沿位置，即為寫入4個值：6666，7777，8888，9999，寫完后剛好寫滿，因此full標志位在170.1ns處變為1，表示已寫滿無法再寫入。

3.3 讀取階段

在270.1ns時，read/write的值為1/0開始從FIFO中進行數據讀取，在clk信號的1，2，3，4讀取了4個數值，根據data_out可知為6666，7777，8888，9999。讀出順序與寫入順序一致，即先入先出。

3.4 同時讀寫或不讀不寫

在450ns時，read/write都為1，讀寫同時進行，并且empty為1，可知不進行讀操作，count的邏輯。但因full為0，可以進行寫入，此時進行寫入，在4個clk周期寫滿，因此在530.1ns時full標志位為1

在530ns和550ns時，read/write都為0，此時不讀也不寫入，因此輸出狀態不變，一直為9999，

原文鏈接：https://blog.csdn.net/zyp626/article/details/131620099