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本次设计主要介绍异步FIFO中读写指针和格雷码的原理及其实现，最后会有代码和仿真文件
一、异步FIFO的重要参数及其作用
FIFO有几个最重要的参数：
1、FIFO：First Input First Output，即先入先出队列，本质是RAM。
2、wr_clk：写时钟，所有与写有关的操作都是基于写时钟；
3、rd_clk：读时钟，所有与读有关的操作都是基于读时钟；
4、FIFO_WIDTH: FIFO的位宽，即FIFO中每个地址对应的数据的位宽；
5、FIFO_DEPTH: FIFO的深度，即FIFO中能存入多少个（位宽为FIFO_WIDTH的）数据；
6、full：FIFO发出的满信号，当FIFO满了之后，将full拉高；
7、empty：FIFO发出的空信号，当FIFO空了之后，将empty拉高；
8、wr_en：主机发送给FIFO的写使能，一般受制于FIFO发出的full信号，若full信号为高，一般主机会拉低写使能信号，防止新数据覆盖原来的数据；
9、rd_en：主机发送给FIFO的读使能，一般受制于FIFO发出的empty信号，若empty信号为高，一般主机会拉低读使能信号，防止从FIFO中读出不确定的数据。
异步FIFO主要用作跨时钟域的数据缓存。
二、设计要点
异步FIFO设计中，最重要的就是空满判断，格雷码是现在使用最多用于判断空满的一种码制，虽然都知道用格雷码，那为什么要用格雷码？
先说一说空满判断：
空：读快于写时，读指针追上写指针时，写入的数据被读完，读指针和读指针相同，FIFO为空。
满：当写快于读时，当写指针追上读指针，写入的数据比读出的数据多FIFO_DEPTH个，即写指针比读指针大一个FIFO_DEPTH时，此时FIFO为满。
还有就是为什么读写指针要比FIFO_DEPTH多一位，以及格雷码在这之中起到的重要作用，这个在说完格雷码之后会有解释。
格雷码：因1953年公开的弗兰克·格雷专利 “Pulse Code Communication”而得名。
格雷码是一种安全码，因为相邻的格雷码只有一位不同，和二进制不同，二进制一般相邻的都有多位不同。格雷码在传输中，因为相邻只有一位不同，所以其误码率比二进制低得多。
在同步时，出现亚稳态的概率也比二进制低。
二进制转换为格雷码
Verilog代码描述：gray = binary ^ (binary >> 1)
注：以上两幅关于格雷码的图片均不是原创，不知道出处，若有侵权，请联系删除
1、首先是读写指针为什么可以多一位，对读写地址有没有影响
答案是，没有影响
如上图，假如FIFO_DEPTH为8，那么指针就有16个值
普通的三位的地址从000写到111，然后再写入的话，地址又为000，一直写到111，重复上述操作。
因为我们取指针的低三位作为读写地址，如图，可以看出，即使是四位的指针，因为取的低三位，所以也是在000-111中往复循环，不会出现地址溢出的情况。
2、其次是为什么要用格雷码
由于以上原因，指针多一位对读写地址没有影响，而多一位又可以很好地利用格雷码的特性进行空满判断。
如上图，3和4, 5和6, 7和8之间有什么关系呢
可以看出，3的高两位与4的高两位相反，低两位相同；5和6,7和8也有这种关系。
其实格雷码还是一种对称码，比如说3位的格雷码，可以先写出一位的格雷码，0 和 1；然后将这两位对称一下，写出 0 1 1 0，然后在前两个前面填上0，后两个前面添上1，得到两位格雷码 00 01 11 10，然后再对称得到 00 01 11 10 10 11 01 00，再在前四个前添上0，后四个 前面添上1，得到三位的格雷码，000 001 011 010 110 111 101 100.
而3和4之间还有什么关系呢，那就是他们的数值之间相差8，即一个FIFO_DEPTH，所以可以用这个来判断满。
空的判断很简单，格雷码一样就是空。
假设FIFO_DEPTH == 8
空的判断：empty =（wr_gray == rd_gray）？1:0；
满的判断：full = （{~wr_gray[3:2],wr_gray[1:0]} == rd_gray）？1:0；
3、空满信号的同步
因为空信号是对读操作有影响，所以，将空信号在rd_clk下同步（多采用两级寄存器）
因为满信号是对写操作有影响，所以，将满信号在wr_clk下同步（多采用两级寄存器）
三、源代码及仿真
1、源代码
`timescale 1ns / 1ns
module asynchronous_fifo #(
parameter FIFO_WIDTH = 8,
parameter FIFO_DEPTH = 8
)(
input wr_clk, //写时钟
input rd_clk, //读时钟
input wr_en, //写使能
input rd_en, //读使能
input wr_rst_n, //写复位
input rd_rst_n, //读复位
input [FIFO_WIDTH-1:0] wr_data, //写入的数据
output reg [FIFO_WIDTH-1:0] rd_data, //输出的数据
output reg wr_full,
output reg rd_empty,
output wr_fifo_en,
output rd_fifo_en,
output reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] wr_gray_g2, // 写指针
output reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] rd_gray_g2
);
// reg define
reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] wr_pointer = 0; // 写指针
reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] rd_pointer = 0; // 读指针
reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] wr_gray_g1; // 写格雷码，用格雷码来判断空满
reg [$clog2(FIFO_DEPTH):0] rd_gray_g1;
wire [$clog2(FIFO_DEPTH):0] wr_gray; // 写格雷码，用格雷码来判断空满
wire [$clog2(FIFO_DEPTH):0] rd_gray; // 读格雷码，用格雷码来判断空满
wire [$clog2(FIFO_DEPTH)-1:0] wr_addr;
wire [$clog2(FIFO_DEPTH)-1:0] rd_addr;
wire full_1;
wire empty_1;
//ram define
//(*ram_style = "distributed"*) reg [FIFO_WIDTH - 1 : 0] fifo_buffer [FIFO_DEPTH - 1:0]; //寄存器组当FIFO
reg [FIFO_WIDTH - 1 : 0] fifo_buffer [FIFO_DEPTH - 1:0]; //寄存器组当FIFO
assign wr_fifo_en = wr_en && !full_1;
assign rd_fifo_en = rd_en && !empty_1;
assign wr_gray = wr_pointer^(wr_pointer>>1);
assign rd_gray = rd_pointer^(rd_pointer>>1);
assign wr_addr = wr_pointer[$clog2(FIFO_DEPTH)-1:0];
assign rd_addr = rd_pointer[$clog2(FIFO_DEPTH)-1:0];
assign full_1 = ({~rd_gray_g2[$clog2(FIFO_DEPTH):$clog2(FIFO_DEPTH)-1], rd_gray_g2[$clog2(FIFO_DEPTH)-2:0]} == wr_gray)?1:0;
assign empty_1 = (wr_gray_g2 == rd_gray)?1:0;
//将rd_gray在写时钟域与wr_gray比较，如果wr_gray与rd_gray高两位相反，低位相等，则写满
always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
if(!wr_rst_n) begin
rd_gray_g1 <= 0;
rd_gray_g2 <= 0;
end
else begin
rd_gray_g1 <= rd_gray;
rd_gray_g2 <= rd_gray_g1;
end
end
always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
if(!wr_rst_n)
wr_full <= 1'b0;
else if(wr_full && wr_en)
wr_full <= 1'b1;
else
wr_full <= full_1;
end
//将wr_gray在读时钟域与rd_gray比较，相等为FIFO空
always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
if(!rd_rst_n) begin
wr_gray_g1 <= 0;
wr_gray_g2 <= 0;
end
else begin
wr_gray_g1 <= wr_gray;
wr_gray_g2 <= wr_gray_g1;
end
end
always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
if(!rd_rst_n)
rd_empty <= 1'b0;
else if(rd_empty && rd_en)
rd_empty <= 1'b1;
else
rd_empty <= empty_1;
end
// 写数据指针计数
always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
if(!wr_rst_n) begin
fifo_buffer[wr_addr] <= 'bz;
wr_pointer <= 0;
end
else if(wr_fifo_en) begin
fifo_buffer[wr_addr] <= wr_data;
wr_pointer <= wr_pointer + 1'b1;
end
else begin
fifo_buffer[wr_addr] <= fifo_buffer[wr_addr];
wr_pointer <= wr_pointer;
end
end
// 读数据指针计数
always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
if(!rd_rst_n) begin
rd_data <= 'bz;
rd_pointer <= 0;
end
else if(rd_fifo_en) begin
rd_data <= fifo_buffer[rd_addr];
rd_pointer <= rd_pointer + 1'b1;
end
else begin
rd_data <= fifo_buffer[rd_addr];
rd_pointer <= rd_pointer;
end
end
endmodule
2、仿真文件
改变clk_period_wr和clk_period_rd就可以实现读写快慢切换
`timescale 1ns / 1ns
`define clk_period_wr 50
`define clk_period_rd 20
module asynchronous_fifo_tb();
parameter FIFO_WIDTH = 8;
parameter FIFO_DEPTH = 16;
reg wr_clk;
reg rd_clk;
reg wr_en;
reg rd_en;
reg wr_rst_n;
reg rd_rst_n;
reg [FIFO_WIDTH-1:0] wr_data;
wire [FIFO_WIDTH-1:0] rd_data;
wire wr_full;
wire rd_empty;
wire wr_fifo_en;
wire rd_fifo_en;
wire [$clog2(FIFO_DEPTH):0] wr_gray_g2;
wire [$clog2(FIFO_DEPTH):0] rd_gray_g2;
assign wr_fifo_en = wr_en && !wr_full;
assign rd_fifo_en = rd_en && !rd_empty;
initial begin
wr_clk = 0;
forever begin
#(`clk_period_wr/2) wr_clk = ~wr_clk;
end
end
initial begin
rd_clk = 0;
forever begin
#(`clk_period_rd/2) rd_clk = ~rd_clk;
end
end
initial begin
wr_rst_n = 1;
rd_rst_n = 1;
wr_en = 0;
rd_en = 0;
#5;
wr_rst_n = 0;
rd_rst_n = 0;
#5;
wr_rst_n = 1;
rd_rst_n = 1;
end
initial begin
//第一段仿真
@(negedge wr_clk) wr_en = 1;wr_data = $random;
repeat(7) begin
@(negedge wr_clk)
wr_data = $random;
end
@(negedge wr_clk) wr_en = 0;
@(negedge rd_clk) rd_en = 1;
repeat(8) begin
@(negedge rd_clk);
end
@(negedge rd_clk) rd_en = 0;
# 150
//第二段仿真
@(negedge wr_clk)
wr_en = 1;
wr_data = $random;
repeat(18) begin
@(negedge wr_clk)
wr_data = $random;
end
@(negedge wr_clk) wr_en = 0;
@(negedge rd_clk) rd_en = 1;
repeat(18) begin
@(negedge rd_clk);
end
rd_en = 0;
// 第三段仿真
repeat(9) begin
@(negedge wr_clk)
wr_data = $random;wr_en = 1;
end
rd_en = 1;
repeat(19) begin
@(negedge wr_clk)
wr_data = $random;
end
@(negedge wr_clk) wr_en = 0;
@(negedge rd_clk) rd_en = 0;
#20 $finish;
end
asynchronous_fifo #(
.FIFO_WIDTH (FIFO_WIDTH),
.FIFO_DEPTH (FIFO_DEPTH)
)
asynchronous_fifo (
.wr_clk (wr_clk),
.rd_clk (rd_clk),
.wr_rst_n (wr_rst_n),
.rd_rst_n (rd_rst_n),
.wr_en (wr_fifo_en),
.rd_en (rd_fifo_en),
.wr_data (wr_data),
.wr_full (wr_full),
.rd_empty (rd_empty),
.rd_data (rd_data)
);
endmodule
3、仿真截图
读比写快
写比读快
这个代码也还有些问题，希望大家多多包容并且指出错误或者可以改善的地方，一起进步。
发布者：全栈程序员-用户IM，转载请注明出处：https://javaforall.cn/170180.html原文链接：https://javaforall.cn
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