一、FIFO

1.1 定义

FIFO(First in First out)为先进先出队列，具有存储功能，可用于不同时钟域间传输数据以及不同的数据宽度进行数据匹配。如其名称，数据传输为单向，从一侧进入，再从另一侧出来，出来的顺序和进入的顺序相同。

1.2 实现方式

FIFO可由多种不同的实现方式，可以用块状RAM，分布式RAM来实现，也可直接使用IP核，当数据较小时，建议使用分布式RAM实现，数据较大时，用块状RAM实现。

1.3 实现原理

FIFO组成包含存储单元，写时钟，读时钟，满标志，空标志，读写控制信号，当读时钟和写时钟都是同一个时钟时，则为同步FIFO，否则为异步FIFO。

a.首先，在复位操作后，在写时钟控制下，如果状态非满状态，数据可写入到FIFO中。每写一次数据，写指针加一，写满后将不允许再写入；

b.当FIFO中数据非空时，在读时钟的控制下，数据可从FIFO中读出。每读一次数据，读时钟加一，位于下一个读取的位置，在空状态下，将不能继续读数据；

无论是同步FIFO还是异步FIFO，都是以双口RAM为基础来实现。

二、代码实现

代码为书籍《FPGA应用技术及实践》中5.3.3 FIFO设计中的代码，相比原代码中，对read/write为00时，对count的值变化进行了修改，修改为count<=count更合理，设计为实现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];
//读空判断
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
//写满判断
always@(posedge clk)
begin
    if(rst==1'b0&&write==1'b1&&full==1'b0)
    fifomem[head]<=data_in;
end
//写操作
always@(posedge clk)
begin
    if(rst==1)
        head<=2'b00;
        else
    begin
        if(write==1'b1&&full==1'b0)
        head<=head+1;
    end
end
//读操作
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
//读写操作下的计数
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
//队列空状态判断
always@(posedge clk)
begin
    if(count==2'b00)
        empty<=1'b1;
    else
        empty<=1'b0;
end
//队列满状态判断
always@(posedge clk)
begin
    if(count==max_count)
        full<=1'b1;
    else
        full<=1'b0;
end
endmodule

测试代码

对于read和write信号，尽量避免在时钟上升沿时进行状态变化，如此处write翻转在201ns，read翻转在#252，即避免了和时钟的上升沿同步，也避免了和write翻转的同步

`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));
//初始状态赋值
initial
begin
clk=0;
rst=1;
data_in=16'h1111;
#51 rst=0;
end
//写操作
initial
begin
write=1;
#201 write=1;
#30 write=0;
#200 write=1;
#85 write=0;
//#10 write=1;
//#60 write=0;
end
//读操作
initial
begin
read=0;
#252 read=1;
#200 read=0;
#100 read=1;
end
//输入信号与时钟信号生成
always #20 data_in=data_in+16'h1111;
always #10 clk=~clk;
endmodule