FIFO的使用——quartus的 fifo ip 核使用细节

1. FIFO的使用

   1. FIFO（First In First Out），即先进先出。 FPGA 或者 ASIC 中使用到的 FIFO 一般指的是对数据的存储具有先进先出特性的一个缓存器，常被用于数据的缓存或者高速异步数据的交互。它与普通存储器的区别是没有外部读写地址线，这样使用起来相对简单，但缺点就是只能顺序写入数据，顺序的读出数据，其数据地址由内部读写指针自动加 1 完成，不能像普通存储器那样可以由地址线决定读取或写入某个指定的地址。

   2. FIFO 从大的情况来分，有两类结构：

      1. 单时钟 FIFO（SCFIFO）
      2. 双时钟 FIFO(DCFIFO)，其中双时钟FIFO又可以分为
         1. 普通双时钟（DCFIFO）
         2. 混合宽度双时钟FIFO(DCFIFO_MIXED_WIDTHS)
      3. 

   3. FIFO 常见参数

      1. FIFO 的宽度：即 FIFO 一次读写操作的数据位；
      2. FIFO 的深度：指的是 FIFO 可以存储多少个 N 位的数据（如果宽度为 N）。
      3. 满标志： FIFO 已满或将要满时由 FIFO 的状态电路送出的一个信号，以阻止 FIFO的写操作继续向 FIFO 中写数据而造成溢出。
      4. 空标志： FIFO 已空或将要空时由 FIFO 的状态电路送出的一个信号，以阻止 FIFO的读操作继续从 FIFO 中读出数据而造成无效数据的读出。读时钟：读操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时读数据。
      5. 读写时钟：读写操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时写数据。

   4. 实现 FIFO 的方法

      1. 第一种为用户根据需求自己编写 FIFO 逻辑，当对于 FIFO 的功能有特殊需求时，可以使用此种方式实现
         1. 自己编写fifo逻辑时需要
            1. 考虑数据量，即使用片上逻辑资源实现还是使用片上的存储资源实现
               1. 逻辑资源实现——使用寄存器，小容量的fifo
               2. 存储资源实现——例化rom IP核，大容量的fifo
            2. 考虑数据的采样速率、存储速率、读取速率与读写时钟速率的匹配
            3. 考虑fifo的深度，这个还是比较重要，既要不浪费资源，又能完成数据写入与读出的任务，而且深度是无论自己写还是调用IP核都需要考虑的一个问题
      2. 第二种方式为使用第三方提供的开源 IP 核，此种 IP 核以源码的形式提供，能够快速的应用到用户系统中，当用户对 FIFO 功能有特殊需求时，可以在此源码的基础上进行修改，以适应自己的系统需求。
      3. 第三种方式为使用EDA软件提供的免费 FIFO IP 核，此种方式下， EDA软件为用户提供了友好的图形化界面方便用户对 FIFO 的各种参数和结构进行配置，生成的FIFO IP 核针对不同公司不同系列的器件

   5. 单时钟fifo

      1. 单时钟 FIFO 具有一个独立的时钟端口 Clock，因此所有输入信号的读取都是在 Clock 的上升沿进行的，所有输出信号的变化也是在 Clock 信号的上升沿的控制下进行的，即单时钟 FIFO 的所有输入输出信号都是同步于 Clock 信号的。

      2. 单时钟 FIFO 常用于片内数据交互。例如：在 FPGA 的控制下从外部传感器读取到的一连串传感器数据，首先被写入 FIFO 中，然后再以 UART 串口波特率将数据依次发送出去。

      3. 在qurtus例化单时钟FIFO IP核并进行仿真

         1. `timescale 1ns/1ns
            `define clk_period 20
            
            module tb_sc_fifo();
            
            reg clk;
            reg [15:0]data;
            reg rdreq;
            reg sclr;
            reg wrreq;
            
            wire almost_empty;
            wire almost_full;
            wire empty;
            wire full;
            wire [15:0]q;
            wire [7:0]usedw;
            
            sc_fifo	sc_fifo_inst (
            	.clock ( clk ),
            	.data ( data ),
            	.rdreq ( rdreq ),
            	.sclr ( sclr ),
            	.wrreq ( wrreq ),
            	.almost_empty ( almost_empty ),
            	.almost_full ( almost_full ),
            	.empty ( empty ),
            	.full ( full ),
            	.q ( q ),
            	.usedw ( usedw )
            );
            
            initial clk = 1'b1;
            always#(`clk_period/2) clk = ~clk;
            
            integer i = 0;
            integer delay = 0;
            
            initial begin
            	data = 0;
            	rdreq = 0;
            	wrreq = 0;
            	sclr = 0;
            	#2001;
                //A,B,C,D四段程序每次仿真只打开一段
            	/*----A---sclr holds 10ns
            	for(i=0;i<=50;i=i+1)begin
            		wrreq = 1'b1;
            		data = {$random}%65536;
            		#`clk_period;
            	end
            	wrreq = 1'b0;
            	sclr = 1'b1;
            	#10;//(`clk_period);
            	sclr = 1'b0;
                */
                
                /*----B---sclr holds 20ns
            	for(i=0;i<=50;i=i+1)begin
            		wrreq = 1'b1;
            data = {$random}%65536;
            		#`clk_period;
            	end
            	wrreq = 1'b0;
            	sclr = 1'b1;
            	#(`clk_period);
            	sclr = 1'b0;
                */
                
                /*----B--- no sclr
            	for(i=0;i<=50;i=i+1)begin
            		wrreq = 1'b1;
            		data = {$random}%65536;
            		#`clk_period;
            	end
            	wrreq = 1'b0;
                */
                
            	/*---D---test write and read
            	#1000;
            	for(i=0;i<10;i=i+1)begin
            		wrreq = 1'b1;
            		data = i+1;
            		#`clk_period;
            		wrreq = 1'b0;
            		#`clk_period;
            		delay = {$random}%8;
            		#(`clk_period*delay);
            	end
            	#500;
            	for(i=0;i<5;i=i+1)begin
            		rdreq = 1'b1;
            		#`clk_period;
            		rdreq = 1'b0;
            		#`clk_period;
            		delay = {$random}%8;
            		#(`clk_period*delay);
            	end
                */
            	#1000;
            	for(i=0;i<=255;i=i+1)begin
            		wrreq = 1'b1;
            		data = {$random}%65536;
            		#`clk_period;
            	end
            	wrreq = 1'b0;
            	#2000;
            	for(i=0;i<=255;i=i+1)begin
            		rdreq = 1'b1;
            		#`clk_period;
            	end
            	rdreq = 1'b0;
            	#2000;
            	$stop;
            end
            endmodule 
            

         2. A段仿真时序

         3. 

         4. B段仿真

         5. 

         6. 3图的sclr信号维持时间没有超过一个时钟周期，没有被时钟上升沿采样，这样的操作会刷新fifo（flush the fifo），但是由于是同步清零的信号，没有被时钟采样，所以会产生问题，刚开始我也很疑惑，sclr信号有效且不被时钟沿采样会造成的后果是虽然刷新了fifo，但是只是将数据用0替代，并且将usedw变成零，而且被清零的部分不能存入新的数据。5图的sclr信号维持了1个周期，可以看出还是有很多不一样的，会使q的输出变成未知态，fifo的状态正常

         7. C段仿真

         8. 

         9. 使用C段仿真可以看出这个scfifo在数据溢出后就不再能写入了，会把后来的数据丢掉，

         10. D段仿真

         11. 

         12. 

         13. 通过D段的仿真可以看出数据与usedw的关系，以及空满标志，almost full/almost empty 标志的变化

         14. 通过上面的仿真可以总结下图总结了四种方式fifo对应usedw上的数据

         15. 

   6. 双时钟fifo

      1. 双时钟 FIFO 结构中，写端口和读端口分别有独立的时钟，所有与写相关的信号都是同步于写时钟 wrclk 的，所有与读相关的信号都是同步于读时钟 rdclk 的。在双时钟 FIFO 的符号图中，位于上部分的为与写相关的所有信号，位于中间部分的为与读相关的所有信号，位于下部的为异步清零信号

      2. 双时钟 FIFO 的一个典型应用就是异步数据的收发， 所谓异步数据是指数据的发送端和接收端分别使用不同的时钟域。 使用双时钟 FIFO 能够将不同时钟域中的数据同步到所需的时钟域系统中。例如：在一个高速数据采集系统中，实现将高速 ADC 采集的数据通过千兆以太网发送到 PC 机。

      3. 在quartus中例化双时钟FIFO IP核并进行实现

         1. //顶层文件
            `timescale 1ns/1ns
            `define rdclk_period 10
            `define wrclk_period 20
            
            module tb_dc_fifo();
            
            reg [15:0]data;
            reg rdclk;
            reg rdreq;
            reg wrclk;
            reg wrreq;
            
            wire [7:0]q;
            wire rdempty;
            wire [8:0]rdusedw;
            wire wrfull;
            wire [7:0]wrusedw;
            
            dc_fifo	dc_fifo_inst (
            	.data ( data ),
            	.rdclk ( rdclk ),
            	.rdreq ( rdreq ),
            	.wrclk ( wrclk ),
            	.wrreq ( wrreq ),
            	.q ( q ),
            	.rdempty ( rdempty ),
            	.rdusedw ( rdusedw ),
            	.wrfull ( wrfull ),
            	.wrusedw ( wrusedw )
            	);
            
            initial rdclk = 1'b1;
            always#(`rdclk_period/2) rdclk = ~rdclk;	
            
            initial wrclk = 1'b1;
            always#(`wrclk_period/2) wrclk = ~wrclk;
            
            integer i=0;
            reg [7:0]data_h;
            reg [7:0]data_l;
            initial begin
            	data = 0;
            	data_h = 0;
            	data_l = 0;
            	rdreq = 0;
            	wrreq = 0;
            	#201
            	for(i=0;i<=255;i=i+1)begin
            		data_h = {$random}%256;
            		data_l = {$random}%256;
            		data = {data_h,data_l};
            		wrreq = 1'b1;
            		#`wrclk_period;
            	end
            	wrreq = 1'b0;
            	#2000
            	for(i=0;i<=511;i=i+1)begin
            		rdreq = 1'b1;
            		#`rdclk_period;
            	end	
            	rdreq = 1'b0;
            	#200;
            	$stop;
            end
            endmodule 
            

         2. 

         3. 

         4. 

         5. 对比3，4两个图，可以看出写入的数据为16‘h2481；先读出地位的8’h81，再读出高位8‘h24；

         6. 溢出的规律与scfifo相同，如果fifo内空间只剩下1个8bit的位置，写入时会丢弃整个16bit的数据，不会只写入低八位；读数据有多少就能读出多少

         7. 

         8. wrusedw会滞后一个写时钟周期，在被读出时也会按照些写时钟变化，rdusedw在写入数据时会按照写时钟变化一次递增两个，读出时按照读时钟变化，每次减少一个

• tips
  • LE 紧密且有效的提供了高级功能的逻辑使用。 LE 基本包含以下几个部分：
    1. 4 输入查找表 LUT
    2. D 触发器（可以对每个 LE 配置可编程的寄存器为 D、 T、 JK 或 SR 触发器操作）
    3. 组合逻辑。
  • 例化FIFOIP核的一些细节
    • do you want a common clock for reading or writing the fifo
      • yes——单时钟fifo，单时钟fifo输入输出位宽只能相同
      • no ——双时钟fifo，双时钟fifo输入输出位宽可以不同
    • which type of optimization do you want
      • 选择什么种类的优化，提供了三种选择
      • lowest latency but requires synchronized clocks，最低延迟，但要求时钟同步，这个选项使用一个同步阶段，没有亚稳态保护，他是最小尺寸，提供良好的Fmax
      • minimal setting for unsynchronized clocks，不同步的时钟设置为最小，这个选项使用两个同步阶段，具有良好的亚稳态保护，他是中等尺寸，提供良好的Fmax
      • best matastability protection， best Fmax and unsynchronized clocks，最好的亚稳态保护，最好的Fmax，时钟不同步，这个选项使用三个或者更多的同步阶段，具有最好的亚稳态保护，他是最大尺寸，给出了最好的fmax
      • 在使用过程中，通常我们的选择是默认中等优化，具体工程具体分析，要求性能较好，又有资源可以选择第三种优化方法
    • 
    • which kind of read access do you want 'rdreq' signal
      • 两种设置的区别，normal synchronous FIFO mode 与 show-ahead synchronous FIFO mode区别
      • 选则第一种普通方式则 rdreq 信号作为实际意义上的读请求信号，当该信号有效时 FIFO 中的控制逻辑从存储器中读取一个数据输出到 q 端。
      • 如果选中 Show-ahead 方式，则 rdreq 实际作为了读应答信号，即 rdreq 还没有有效时， q 端口上已经输出了一个有效的数据， rdreq 信号有效的时候则相当于通知 FIFO 内部的控制逻辑 q 端口上的数据已经被读取，则 FIFO 内部的逻辑会从 RAM 中再取出一个新的数据，在下一个时钟周期输出到 q 端口上。该模式在实际中应用也非常的普遍，因为 q 端口上的数据 与 rdreq 同时有效，没有读潜伏期。
      • 使用前显模式会使fifo性能下降
    • would you like to disable any circuity protection ?
      • 如果你不需要上溢检测和下溢检测保护电路，可以通过下面的选项禁用他们，以此来提高fifo性能，上溢检测保护电路主要用于在fifo满时禁止wrreq端口，下溢检测保护电路主要是用于在fifo空时，禁止rdreq端口，他们默认的状态是打开的。
    • 在EDA标签中可以看到仿真IP核所需要用到的库文件，如果想将fifo应用到其他EDA文件中，可以通过generate netlist 生成IP_syn.v文件，但并不是所有的第三方EDA工具都支持
  • 调用一个IP核的过程（quartus）
    • 参数设置（parameter settings）
    • 电子设计自动化（EDA）
    • 总结（summary）