在對圖像進行處理時經常用到矩陣操作，本篇博客介紹一下用兩個FIFO生成 3x3 矩陣的方法，並對其進行驗證。
要求：模擬一張分辨率為 10x5 的圖片，圖片的數據為 1~50，對其生成 3x3 矩陣，以便后面的圖像處理。
testbench：數據的使能和數據對齊，每隔 10 個數據就空閑小段時間，每隔 50 個數據又空閑一段時間，模仿圖像幀的樣子，如下所示：
一、計數器行列規划
數據是 1-50，分為 10 列 5 行，而數據本身是沒有行列概念的，因此要用兩個計數器對數據行列規划。
第一個計數器為 col_cnt，計10下。第二個計數器為 row_cnt，計5下。這樣數據就人為的划分成了10x5，如下圖所示:
二、調用兩個FIFO形成3行數據
1、生成一個同步 FIFO IP核，深度只要是超過 2 行的數據個數就行，例如這里一行數據個數是10個，FIFO的深度就選為32。模式選為 normal（standard）模式，其他信號都不勾選。
2、設計3x3模塊，調用兩次 FIFO IP 核，兩個FIFO寫數據相同，都是本模塊進來的數據 din，兩個FIFO的各種信號按后綴 1 和 2 來區分。兩個FIFO的讀寫信號示意圖如下所示：
這樣設置的話，從第 3 行 din 來開始，q_1、q_2 和新進來的數據din就能形成 3 行平行數據，代碼書寫如下：
assign wr_en_1 = (cnt_row < 4) ? din_vld : 1'b0; //不寫最后1行 assign rd_en_1 = (cnt_row > 0) ? din_vld : 1'b0; //從第1行開始讀 assign wr_en_2 = (cnt_row < 3) ? din_vld : 1'b0; //不寫最后2行 assign rd_en_2 = (cnt_row > 1) ? din_vld : 1'b0; //從第2行開始讀
3、這樣操作后生成的仿真波形如下所示：
由波形看到 din_r（din打了一拍）和 q_1、q_2 信號在第三行數據時變成了平行的三行數據。 din 信號需要打一拍是因為此次使用的FIFO模式為normal（standard）模式，給出其讀使能后過 1clk 后才出數據 q，因此 din 打了一拍后就能和 q_1、q_2 對齊了。如果 FIFO 使用的是 show-ahead（first word fall through）模式則不需要對 din 信號進行打拍就能對齊。
從波形中還可以得出一些信息：
（1）來前兩行數據時，din_r 和 q_1、q_2 形成的三行數據不完整，從第3行數據時才完整。
（2）din_r、q_1、q_2的順序和我們的數據排列相比是倒的，符合人的正常思維的順序是：q_2、q_1、din_r。
（3）形成3行數據后，由於FIFO選用的是 normal（standard）模式，din數據打了一拍，所以整個過程消耗了 1clk。
三、打 3 拍形成 3x3 矩陣
獲得了上述的波形后，我們采用打拍即可完成矩陣的生成，上面說了數據是倒的，因此選擇矩陣數據時把編號給正過來。
//矩陣數據選取，1clk //--------------------------------------------------- assign row_1 = q_2; assign row_2 = q_1; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) row_3 <= 'd0; else row_3 <= din; end
這里 row_3 就是原本的 din_r，命名將順序正過來，后面打拍也就更能理解了。
//打拍形成矩陣，矩陣順序歸正，1clk //--------------------------------------------------- always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin {matrix_11, matrix_12, matrix_13} <= {8'd0, 8'd0, 8'd0}; {matrix_21, matrix_22, matrix_23} <= {8'd0, 8'd0, 8'd0}; {matrix_31, matrix_32, matrix_33} <= {8'd0, 8'd0, 8'd0}; end else begin {matrix_11, matrix_12, matrix_13} <= {matrix_12, matrix_13, row_1}; {matrix_21, matrix_22, matrix_23} <= {matrix_22, matrix_23, row_2}; {matrix_31, matrix_32, matrix_33} <= {matrix_32, matrix_33, row_3}; end end
最后形成的矩陣波形如下所示：
由波形見得，最后生成的矩陣是成功的，該矩陣的觀看順序是從上到下，一列一列的看，例如第一個矩陣是：{000，000，001}，第二個矩陣是：{000,000,012}。此外由於矩陣是打拍形成的，也耗費了 1clk 。至此，我們的 3x3 矩陣就生成了，總共耗費 2clk，即兩個時鍾周期。
四、問題引出
如果只是做到這樣，其實已經能做圖像處理了，但是細細品味這些波形會發現很多小問題。我們會產生一些疑問：
（1）換行時的數據很怪，如第 4 行數據的第一個矩陣是{10,10,11,20,20,21，30,30,31}，這是什么鬼？
（2）換幀時的數據更怪，雖然第一幀圖片前面的矩陣很多都是0，但第二幀圖片前面的矩陣很多都是上一幀圖片遺留的數據，怎么辦？
（3）這個矩陣進行圖像處理的實際效果怎么樣？
（4）show-ahead（first word fall through）模式的話又會是什么情況？
（5）對於上面的問題，有改進的辦法嗎？
這篇博客已經有些長度了，對這些問題我們下篇博客繼續分析！
參考資料：
[1]V3學院FPGA教程