FIFO Generate IP核使用——Native接口时读写宽度不一致详解

news2024/9/25 11:17:52

表3-4显示了在选择了Native接口时哪些时钟类型支持非对称的宽高比，即读写宽度不一致。

非对称的宽高比允许FIFO的输入和输出宽度不同。FIFO支持以下写-读宽高比（Write-to-Read Aspect Ratios）：1:8, 1:4, 1:2, 1:1, 2:1, 4:1, 8:1。

这个功能是通过在Vivado IP Catalog中自定义FIFO时选择独特的写和读宽度来实现的，如上图所示。默认情况下，写和读宽度被设置为相同的值（提供1:1的宽高比），但支持1:8到8:1之间的任何比例，并且FIFO的输出深度会根据输入深度以及写和读宽度自动计算。

对于非对称宽高比，满（full）和空（empty）标志仅在能够写入或读取一个完整的字时才被激活。FIFO不允许访问部分字。例如，假设一个FIFO已满，如果写宽度是8位而读宽度是2位，你需要完成四个有效的读操作之后，满标志才会取消断言，并且才会接受一个写操作。写数据计数器会显示根据写端口比例计算的FIFO字数，而读数据计数器会显示根据读端口比例计算的FIFO字数。

注意：对于写宽度小于读宽度的非对称宽高比（1:8, 1:4, 1:2），最高有效位（MSB）将首先被读取。这意味着，在读取时，数据会按照最高有效位到最低有效位的顺序逐个读取，直到达到读宽度所指定的位数。这种设计使得FIFO能够在宽度不匹配的情况下仍然有效地传输数据。

图3-13展示了一个具有1:4宽高比（写宽度=2，读宽度=8）的FIFO的示例，在可以执行读操作之前，需要连续执行四个写操作。第一个写操作是01，接着是00，然后是11，最后是10。内存是从左到右（从最高有效位MSB到最低有效位LSB）填充的。当执行读操作时，接收到的数据是01_00_11_10。

图3-14展示了一个具有1:4宽高比的FIFO的din（数据输入）、dout（数据输出）以及握手信号。当四个字被写入FIFO后，空信号被取消断言（即变为无效状态，表示FIFO不再为空）。然后，在执行一个单独的读操作后，空信号再次被断言（即变为有效状态，表示FIFO再次为空）。

这是因为在这个例子中，FIFO的写宽度是数据宽度（或字宽度）的四分之一。因此，需要连续写入四个2位宽的“字”（在这里每个“字”实际上是两个位）来填充一个完整的8位宽的数据字，然后才能从FIFO中读取这个8位宽的数据字。当这四个2位宽的“字”被写入后，FIFO就包含了足够的数据来执行一个8位宽的读操作，因此空信号会被取消断言。一旦这个8位数据字被读取，FIFO再次变空，因此空信号会再次被断言。

图3-15展示了一个宽高比为4:1的FIFO（写宽度为8，读宽度为2）。在这个例子中，执行了一个写操作，之后跟随四个读操作。写操作的数据是11_00_01_11。当执行读操作时，数据是从左到右（从最高有效位MSB到最低有效位LSB）接收的。如上图所示，第一次读操作得到的数据是11，接着是00，然后是01，最后是11。

在这个例子中，FIFO的写宽度是读宽度的四倍。因此，一个完整的写操作会写入一个8位宽的数据字。然后，由于读宽度只有2位，所以需要连续进行四次读操作才能读取整个8位宽的数据字。每次读操作都会从FIFO中读取2位的数据，并按照它们被写入的顺序（从左到右，即从MSB到LSB）来接收这些位。

图3-16展示了一个宽高比为4:1的FIFO的din、dout以及握手信号。在执行一个写操作后，FIFO的空信号被取消断言（即变为无效状态，表示FIFO不再为空）。由于没有其他写操作发生，所以FIFO在连续进行四次读操作后再次断言空信号。

在这个例子中，写操作向FIFO中写入了一个8位宽的数据字。由于FIFO的宽高比为4:1，即写宽度为8位而读宽度为2位，因此一个完整的写操作对应四个读操作。在四次读操作之后，FIFO中的所有数据都被读取出来，因此空信号被再次断言（即变为有效状态），表示FIFO现在为空，可以再次进行写操作来填充数据。这个过程中，满信号可能从未被断言，除非有连续多个写操作尝试在FIFO满时继续写入数据。

First-Word Fall-Through（FWFT）FIFO

FWFT FIFO与标准FIFO相比，在读取端口上提供了两个额外的可读字。对于写/读宽高比大于或等于1（如1:1、2:1、4:1和8:1）的情况，FWFT实现还通过depth_ratio*2（其中depth_ratio = 写深度 / 读深度）增加了可以写入FIFO的字数。然而，对于写/读宽高比小于1（如1:2、1:4和1:8）的情况，增加的两个额外可读字只相当于不到一个完整的写字。这些部分字的创建导致FIFO的prog_empty（程序化空）和wr_data_count（写入数据计数）信号的行为与之前的描述有所不同。

具体来说，FWFT特性允许在不发出读操作的情况下从FIFO中查看下一个可用字。当FIFO中有数据时，第一个字会直接从FIFO中掉落并自动出现在输出总线（dout）上。一旦第一个字出现在dout上，empty信号会变为无效，表示FIFO中有一个或多个可读字，并且VALID信号变为有效，表示dout上存在有效字。

与标准读模式不同，在FWFT模式下，当从FIFO中读取最后一个数据时，空标志位被置位，而在标准读取模式下，当empty变为有效时，VALID会在1个时钟周期中持续有效。此外，FWFT特性还将FIFO的有效读取深度增加两个读取字，这意味着在FWFT模式下，FIFO可以连续读取更多的数据，直到达到其物理存储限制。

对于非对称宽高比的FIFO，写宽度和读宽度的不同会导致数据处理和存储方式的差异。在FWFT模式下，这些差异可能更加明显，因为FWFT特性允许在不进行完整读操作的情况下访问数据。这可能会导致在某些情况下，FIFO的某些信号（如prog_empty和wr_data_count）的行为与标准模式有所不同。

Programmable Empty (prog_empty)

prog_empty 信号是一个可编程的阈值信号，当FIFO中可读字的数量小于或等于该阈值时，prog_empty 会被断言。然而，当写/读宽高比小于1（取决于读和写时钟的频率）时，可能会出现prog_empty 违反这个规则的情况，但这种情况仅在empty 被断言时发生。

为了避免这种情况，你可以将可编程空断言阈值设置为 3*depth_ratio*frequency_ratio（其中 depth_ratio = 写深度/读深度且 frequency_ratio = 写时钟频率 / 读时钟频率）。如果可编程空断言阈值设置得低于这个值，那么当empty 被断言时，prog_empty 可能也会被断言。