引言
FPGA（现场可编程门阵列）是一种可编程逻辑器件，具有灵活性和可重构性，广泛用于数字电路设计和嵌入式系统开发。在FPGA中，FIFO（First-In, First-Out）是一种常见的存储器结构，用于在不同的时钟域之间进行数据传输和缓冲。FPGA中的FIFO通常由双端口内存实现，其中一个端口用于读取数据，另一个端口用于写入数据。FIFO内部有一个读指针和一个写指针，用于指示下一个要读取或写入的位置。当数据被写入FIFO时，写指针向前移动；当数据被读取时，读指针向前移动。这样，保证了先进先出的数据顺序。FIFO在FPGA中的应用非常广泛，特别是在数据流处理、通信接口、高速数据采集等领域。它可以解决不同时钟域之间的数据传输问题，同时还可以提供缓冲功能，使得数据传输能够以合适的速度进行，从而避免数据丢失或过载。FPGA厂商通常提供了各种类型和大小的FIFO IP核（知识产权核），可以方便地集成到设计中。此外，FPGA开发工具也提供了相应的设计工具和资源，以简化FIFO的使用和配置。
原理
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内部存储器：FIFO由一个内部存储器组成，通常是一个双端口的存储器。一个端口用于写入数据，另一个端口用于读取数据。
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写指针和读指针：FIFO内部有两个指针，一个是写指针，用于指示下一个要写入数据的位置；另一个是读指针，用于指示下一个要读取数据的位置。
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写入数据：当有新的数据要写入FIFO时，写指针会向前移动到下一个可用的位置，并将数据写入该位置。
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读取数据：当需要读取FIFO中的数据时，读指针会向前移动到下一个要读取的位置，并将该位置的数据输出。
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先进先出：由于写指针和读指针的移动顺序是固定的，FIFO保证了写入FIFO的数据按照它们的顺序被读取，即先进先出。
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缓冲和流量控制：FIFO提供了临时存储功能，可以用于缓冲数据，以适应不同时钟域之间的数据传输速率差异。它还可以用于流量控制，当写入方和读取方的速率不匹配时，FIFO可以缓冲数据以平衡传传输。
软核开发
module fifo_core(
input wire clk,
input wire rst,
input wire wr_en,
input wire rd_en,
input wire [DATA_WIDTH-1:0] data_in,
output wire [DATA_WIDTH-1:0] data_out,
output wire fifo_empty,
output wire fifo_full
);
parameter DEPTH = 16; // FIFO深度
parameter DATA_WIDTH = 8; // FIFO数据宽度
reg [DATA_WIDTH-1:0] fifo[DEPTH-1:0];
reg [DEPTH-1:0] wr_ptr, rd_ptr;
reg [DATA_WIDTH-1:0] data_out_reg;
reg fifo_empty_reg, fifo_full_reg;
always @(posedge clk) begin
if (rst) begin
wr_ptr <= 0;
rd_ptr <= 0;
fifo_empty_reg <= 1;
fifo_full_reg <= 0;
data_out_reg <= 0;
end else begin
if (wr_en && !fifo_full_reg) begin
fifo[wr_ptr] <= data_in;
wr_ptr <= wr_ptr + 1;
if (wr_ptr == DEPTH - 1)
wr_ptr <= 0;
if (wr_ptr == rd_ptr)
fifo_full_reg <= 1;
fifo_empty_reg <= 0;
end
if (rd_en && !fifo_empty_reg) begin
data_out_reg <= fifo[rd_ptr];
rd_ptr <= rd_ptr + 1;
if (rd_ptr == DEPTH - 1)
rd_ptr <= 0;
if (rd_ptr == wr_ptr)
fifo_empty_reg <= 1;
fifo_full_reg <= 0;
end
end
end
assign data_out = data_out_reg;
assign fifo_empty = fifo_empty_reg;
assign fifo_full = fifo_full_reg;
endmodule
以上示例是一个简单的FIFO软核程序，具有16深度（DEPTH）和8位数据宽度（DATA_WIDTH）。它包含了时钟（clk）和复位（rst）输入信号，以及写使能（wr_en）和读使能（rd_en）输入信号。数据输入（data_in）和数据输出（data_out）信号用于写入和读取数据。此外，还有fifo_empty和fifo_full信号用于指示FIFO是否为空或已满。在always块中，根据时钟上升沿进行FIFO的写入和读取操作。当rst为1时，FIFO被复位，指针和状态寄存器被重置为初始值。当wr_en为1且FIFO不满时，将数据写入FIFO并更新写指针。当rd_en为1且FIFO不为空时，从FIFO读取数据并更新读指针。同时更新FIFO的空和满状态。最后，使用assign语句将data_out_reg、fifo_empty_reg和fifo_full_reg分配给对应的输出信号。
eLinx工具开发
module FIFO_TOP(
input wire clk
);
reg [7:0] data=0;
reg wrreq=0;
wire empty;
wire full;
wire [3:0] usedw;
wire [7:0] q;
always @ (posedge clk) begin
data <= data + 1'b1;
wrreq <= 1'b1;
end
fifo_1 u_fifo_1(
.clock (clk),
.data (data),
.rdreq (1'b1),
.wrreq (wrreq),
.empty (empty),
.full (full),
.usedw (usedw),
.q (q)
);
endmodule实验结果
结论
FIFO大小：根据应用需求选择适当的FIFO大小。如果FIFO太小，可能会导致数据丢失或溢出。如果FIFO太大，可能会浪费资源。因此，根据应用的数据流量和延迟要求选择合适的FIFO深度。时钟和复位：确保FIFO的时钟和复位信号正确连接。时钟信号必须是稳定的，并满足FIFO的最小时钟频率要求。复位信号应在系统启动时对FIFO进行复位，以确保其处于已知状态。数据宽度匹配：确保FIFO的输入和输出数据宽度匹配。如果数据宽度不匹配，可能会导致数据损坏或不正确的数据传输。读写控制：正确控制FIFO的读写操作。确保只在FIFO非满时写入数据，并在FIFO非空时读取数据。使用合适的读写使能信号来控制FIFO的读写操作。状态检测：使用FIFO的状态信号（如fifo_empty和fifo_full）来检测FIFO的状态。这些信号可以用于判断FIFO是否为空或已满，以避免数据丢失或溢出。时序约束：在设计中，确保对FIFO的读写操作满足正确的时序约束。这可以通过设置适当的时序约束或使用时序分析工具来验证。时钟域处理：确保FIFO的读写操作在正确的时钟域进行。如果涉及多个时钟域，需要使用合适的时钟域划分技术（如时钟域交叉点或异步FIFO）来处理时钟域间的数据传输。异步复位：如果FIFO的复位信号来自于异步复位源（如外部复位信号），需要考虑异步复位的时序和影响，并确保正确处理异步复位。同步/异步接口：根据系统需求，选择合适的FIFO接口类型。可以使用同步接口（如双时钟同步FIFO）或异步接口（如双端口异步FIFO）。时序和资源约束：在FPGA设计中，根据具体的FPGA型号和工具要求，设置适当的时序和资源约束，以确保FIFO的正确功能和性能。
参考文献
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Smith, J. G., & Franzon, P. D. (1997). The designer's guide to VHDL. Morgan Kaufmann.
本书介绍了FIFO的基本概念和设计方法，并提供了用VHDL实现FIFO的示例。 -
Chu, P. (2000). FPGA prototyping by Verilog examples: Xilinx Spartan-3 version. Wiley-Interscience.
本书提供了使用Verilog实现FIFO的示例代码和详细说明。 -
Bhasker, J. (2005). A VHDL primer. Pearson Education India.
本书介绍了FIFO的基本原理，并提供了VHDL代码实现示例。 -
Gajski, D. D., Dömer, R., Abdi, S. A., & Gerstlauer, A. (2009). Embedded system design: Modeling, synthesis and verification. Springer Science & Business Media.
本书介绍了FIFO在嵌入式系统设计中的应用，包括建模、综合和验证等方面的内容。 -
Palnitkar, S. (2003). Verilog HDL: A guide to digital design and synthesis. Prentice Hall.
本书详细介绍了Verilog HDL语言，包括FIFO的设计和实现。
