Verilog功能模块——读写位宽不同的异步FIFO

news2024/10/5 14:02:20

前言

前面的博文已经讲了异步FIFO和同步FIFO，但并没有实现FIFO的读写位宽转换功能，此功能是FIFO的主要功能之一，应用十分广泛，因此，在前面两个模块的基础上，本文使用纯Verilog实现了读写位宽不同的FIFO，并仿真验证了设计的正确性。

一. 实现思路

思路：

根据读写数据位宽的关系，分两种情况，当读位宽>写位宽时组合数据；当读位宽<写位宽时分解数据
同步FIFO作为缓冲，深度固定为2，异步FIFO作为主体，深度为设定深度
当读位宽≥写位宽时，读端口逻辑无需关心，同步FIFO时钟与异步FIFO写时钟为同一时钟，只要同步FIFO中有数据就立刻读出，组合之后写入异步FIFP，所以写端口的full信号只会在异步FIFO满之后再写入两个数据才置高，此时不必担心同步FIFO因为深度为2会很快写满
当读位宽<写位宽时，写端口逻辑无需关心，同步FIFO时钟域异步FIFO读时钟为同一时钟，只要异步FIFO中有数据就分解之后写入到同步FIFO，所以读端口的empty信号只会在异步FIFO空之后置高，此时不必担心同步FIFO因为深度为2会很快读空

注意：

因为模块主体仍是异步FIFO，所以异步FIFO的“假满”和“假空”问题仍然存在，不影响功能
FIFO实际容量总是比设定容量大，差值为两个小位宽（读/写）数据，这不影响功能

二. 模块功能框图与信号说明

信号说明：

分类	信号名称	输入/输出	说明
参数	DIN_WIDTH	–	输入数据位宽
	DOUT_WIDTH	–	输出数据位宽
	WADDR_WIDTH	–	写地址位宽，FIFO深度=2**WADDR_WIDTH
	FWFT_EN	–	First word fall-through输出模式使能，高电平有效
	MSB_FIFO	–	1（默认值）表示高位先进先出，0表示低位先进先出例如输入4bit，输出8bit，则首先输入的认为是8bit的高4位，接着输入的认为是8bit的低4位。同理，如果输入8bit，输出4bit，则首先输出的会是8bit的高4位，接着输出的是8bit的低4位。 Vivado FIFO只有高位先进先出
FIFO写端口	din	input	FIFO数据输入
	full	output	FIFO满信号
	wr_en	input	FIFO写使能
	wr_clk	input	FIFO写时钟
	wr_rst	input	FIFO写复位
	almost_full	output	FIFO快满信号，FIFO剩余容量<=1时置高
FIFO读端口	dout	output	FIFO数据输出
	empty	output	FIFO空信号
	rd_en	input	FIFO读使能
	rd_clk	input	FIFO读时钟
	rd_rst	input	FIFO读复位
	almost_empty	output	FIFO快空信号，FIFO内数据量<=1时置高

注意：

信号的命名与Vivado中的FIFO IP核完全一致
复位均为高电平复位，与Vivado中的FIFO IP核保持一致
复位为异步复位，写复位和读复位可以公用一个信号，也可以分开
FIFO深度通过WADDR_WIDTH来设置，所以FIFO的深度必然是2的指数，如8、16、32等
DIN_WIDTH与DOUT_WIDTH的倍数关系必须是2的n次方，如2倍、4倍、8倍，不能是3倍、6倍
WADDR_WIDTH必须≥3，且RADDR_WIDTH = WADDR_WIDTH + log2(DIN_WIDTH / DOUT_WIDTH)也必须≥3

一种极限情况，DIN_WIDTH = 4，DOUT_WIDTH=16，WADDR_WIDTH=5，RADDR_WIDTH =5+log2(4/16)=3
MSB_FIFO用于设定高位/低位先进先出，它和一般讲的FIFO大端和小端模式不是一个概念

三. 部分代码展示

//~ 如果读位宽大于写位宽，则需要组合数据，组合成一个数据就写入到读取侧FIFO中
if (DOUT_WIDTH >= DIN_WIDTH) begin
  wire clk = wr_clk;
  wire rst = wr_rst;
  wire wdata_almost_full;

  syncFIFO # (
    .DATA_WIDTH (DIN_WIDTH),
    .ADDR_WIDTH (1        ),
    .FWFT_EN    (1   )
  ) syncFIFO_inst (
    .din          (din        ),
    .wr_en        (wr_en      ),
    .full         (full       ),
    .almost_full  (wdata_almost_full),
    .dout         (wdata      ),
    .rd_en        (wdata_rd_en),
    .empty        (wdata_empty),
    .almost_empty (           ),
    .clk          (clk        ),
    .rst          (rst        )
  );

  assign almost_full = (wdata_almost_full && rdata_full) || full;


  localparam RADDR_WIDTH = $clog2(2**WADDR_WIDTH * DIN_WIDTH / DOUT_WIDTH);

  asyncFIFO # (
    .DATA_WIDTH (DOUT_WIDTH ),
    .ADDR_WIDTH (RADDR_WIDTH),
    .FWFT_EN    (FWFT_EN    )
  ) asyncFIFO_inst (
    .din          (rdata       ),
    .wr_en        (rdata_wr_en ),
    .full         (rdata_full  ),
    .almost_full  (            ),
    .wr_clk       (clk         ),
    .wr_rst       (rst         ),
    .dout         (dout        ),
    .rd_en        (rd_en       ),
    .empty        (empty       ),
    .almost_empty (almost_empty),
    .rd_clk       (rd_clk      ),
    .rd_rst       (rd_rst      )
  );

  // 在读取侧FIFO未满，而写入侧FIFO非空时去读取写入侧FIFO
  assign wdata_rd_en = ~rdata_full && ~wdata_empty;

  reg [DOUT_WIDTH-1:0] rdata_r;

  if (MSB_FIFO == 1) begin
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
      if (rst)
        rdata_r <= 'd0;
      else if (wdata_rd_en)
        rdata_r <= {rdata_r[DOUT_WIDTH-DIN_WIDTH-1:0], wdata}; // 先进的为高位
      else
        rdata_r <= rdata_r;
    end
    assign rdata = {rdata_r[DOUT_WIDTH-DIN_WIDTH-1:0], wdata}; // 先进的为高位
  end
  else begin
    always @(posedge clk or posedge rst) begin
      if (rst)
        rdata_r <= 'd0;
      else if (wdata_rd_en)
        rdata_r <= {wdata, rdata_r[DOUT_WIDTH-1 : DIN_WIDTH]}; // 先进的为低位
      else
        rdata_r <= rdata_r;
    end
    assign rdata = {wdata, rdata_r[DOUT_WIDTH-1 : DIN_WIDTH]}; // 先进的为低位
  end

  localparam WDATA_RD_EN_CNT_MAX = DOUT_WIDTH / DIN_WIDTH - 1;
  reg [$clog2(WDATA_RD_EN_CNT_MAX+1)-1 : 0] wdata_rd_en_cnt;
  always @(posedge clk or posedge rst) begin
    if (rst)
      wdata_rd_en_cnt <= 'd0;
    else if (wdata_rd_en)
      wdata_rd_en_cnt <= wdata_rd_en_cnt + 1'b1;
    else
      wdata_rd_en_cnt <= wdata_rd_en_cnt;
  end
  
  assign rdata_wr_en = wdata_rd_en && wdata_rd_en_cnt == WDATA_RD_EN_CNT_MAX;
end

四. 功能仿真

仿真与之前异步FIFO的情形基本相同，只是要将读写数据位宽设为不一样。

testbench与之前异步FIFO基本相同，文末也有工程分享，各位同学可自行查看。

写入4bit，写入深度64，读出16bit，FWFT FIFO仿真，波形如下：

可以看到，写入4个4bit数据后，empty在延迟两个读时钟上升沿后拉低，同时数据变为16’h0123，在读出之后，数据变为16‘h4567，读端口逻辑正常。Vivado FIFO IP的empty信号拉低延迟较大，但也保证了在empty拉低时数据是有效的。

从上图可以看到，full信号和almost_full信号能正常置高，然后再读取一个数据后延迟两个写时钟上升沿一起拉低，因为读数据读一次就相当于4个写数据，所以almost_full和full是一起拉低的，这也是正确的。Vivado FIFO IP的实际深度比设定的64要大，这也是此IP的full比模块full更晚置高的原因。