FPGA上板项目（四）—

FPGA上板项目（四）——FIFO测试

实验内容

理解 FIFO 原理
调用 FIFO IP 核完成数据读写

实验原理

FIFO：First In First Out，先入先出式数据缓冲器，用来实现数据先入先出的读写方式。可分类为同步 FIFO 和异步 FIFO，读写时钟相同即为同步 FIFO，读写时钟不同即为异步 FIFO。
FIFO 框图：

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FIFO 端口定义与说明：

写端口	说明	读端口	说明
wr_clk	写时钟	rd_clk	读时钟
wr_en	写使能	rd_en	读使能
din	写入的数据	dout	读出的数据
full	满信号	empty	空信号
almost_full	将满信号	almost_empty	将空信号
prog_full	可配置满信号	prog_empty	可配置空信号

full：当 FIFO 已满时，满信号输出高电平，此时的写入操作失效。
almost_full：当 FIFO 差一个数据即满时，将满信号输出高电平，此时只可再进行一次写入操作。
prog_full：用户可自定义阈值，若 FIFO 存储的数据量超过阈值，可配置满信号输出高电平。

FIFO IP 核

添加 FIFO Generator IP 核：IP Catalog -> FIFO Generator
Basic 界面
- Fifo Implementation：用来设置同步/异步，以及使用的资源，常用为 Independent Clocks Block RAM
- Synchronization Stages：跨时钟域逻辑的同步器级数，保持默认即可。数值 2 代表，empty 信号会在 FIFO 成功写入数据后的 2 个读时钟周期后拉低。

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Native Ports 界面
- Read Mode：Standard FIFO 标准模式，输出数据延迟读使能一拍，First Word Fall Through 预读模式，输出数据与读使能同步。
- Data Port Parameters：调整数据位宽和深度
- ECC：数据校验时开启，这里默认不开启
- Output Registers：输出寄存器，可以改善 FIFO 时序，但输出会延迟一拍
- Initialization：设置复位信号，Enable Reset Synchronization 启用同步复位
- Enable Safety Circuit：启用安全电路，复位信号至少要保持八个时钟周期（以慢时钟为准）的有效，且在复位后至少要经过六十个时钟周期（以慢时钟为准）后，才能对 FIFO 进行写数据操作。
- 其余保持默认，最后会统计出输出延迟 Read Latency

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Status Flags 界面：可配置标志位信号，有需求时启用
Data Counts 界面：可配置读写数据计数，有需求时启用

时序绘制

实验按照异步 FIFO 进行设计，使用 100MHz 时钟信号作为写时钟，50MHz 时钟信号作为读时钟。
复位后，由于安全电路的存在，慢时钟（读时钟）计数六十拍后才可启动 FIFO，启动后将标志位 state 信号拉高。
启动后，若 FIFO 未满，即 full 信号为低电平时，则拉高 wr_en，开始写数据；启动后，若 FIFO 不空，即 empty 信号为低电平，则拉高 rd_en，开始读数据。

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HDL 代码

`timescale 1ns / 1ps
module FIFO(input wire sys_clk_p,input wire sys_clk_n,input wire rst_n
);/**********************************************
*********** 例化PLL
**********************************************/wire sys_clk_100M;wire sys_clk_50M;wire locked;clk_wiz_0 inst_clk(// Clock out ports.clk_out1(sys_clk_100M),     // output clk_out1.clk_out2(sys_clk_50M),     // output clk_out2// Status and control signals.reset(1'b0), // input reset.locked(locked),       // output locked// Clock in ports.clk_in1_p(sys_clk_p),    // input clk_in1_p.clk_in1_n(sys_clk_n)    // input clk_in1_n);/**********************************************
*********** 例化FIFO
**********************************************/reg [15:0] din;wire wr_en;wire rd_en;wire [15:0] dout;wire full;wire empty;wire wr_rst_busy;wire rd_rst_busy;fifo_0 inst_fifo (.rst(!rst_n),                  // input wire rst.wr_clk(sys_clk_100M),            // input wire wr_clk.rd_clk(sys_clk_50M),            // input wire rd_clk.din(din),                  // input wire [15 : 0] din.wr_en(wr_en),              // input wire wr_en.rd_en(rd_en),              // input wire rd_en.dout(dout),                // output wire [15 : 0] dout.full(full),                // output wire full.empty(empty),              // output wire empty.wr_rst_busy(wr_rst_busy),  // output wire wr_rst_busy.rd_rst_busy(rd_rst_busy)  // output wire rd_rst_busy);/**********************************************
*********** 信号赋值
**********************************************/  // 赋值启动标志位，state为高时代表可以开始FIFO读写reg state;reg [7:0] start_cnt;always@(posedge sys_clk_50M) beginif(!rst_n) beginstart_cnt <= 8'b0;endelse if(state) beginstart_cnt <= 8'b0;endelse beginstart_cnt <= start_cnt + 8'b1;endendalways@(posedge sys_clk_50M) beginif(!rst_n) beginstate <= 1'b0;endelse if(start_cnt == 8'd60) beginstate <= 1'b1;endend// 组合逻辑赋值wr_en，当state为1时，wr_en的取值与full信号相反assign wr_en = (state == 1'b1) ? ~full : 1'b0;// 赋值dinalways@(posedge sys_clk_100M) beginif(!rst_n) begindin <= 16'b0;endelse if(wr_en) begindin <= din + 16'b1;endend// 组合逻辑赋值rd_en，当state为1时，rd_en的取值与empty信号相反assign rd_en = (state == 1'b1) ? ~empty : 1'b0;/**********************************************
*********** 例化ILA
**********************************************/ ila_0 inst_ila (.clk(sys_clk_100M), // input wire clk.probe0(state), // input wire [0:0]  probe0  .probe1(wr_en), // input wire [0:0]  probe1 .probe2(din), // input wire [15:0]  probe2 .probe3(rd_en), // input wire [0:0]  probe3 .probe4(dout) // input wire [15:0]  probe4);endmodule

仿真

testbench 代码：

`timescale 1ns / 1ps
module tb_FIFO();/**********************************************
*********** 实例化模块
**********************************************/reg sys_clk_p;wire sys_clk_n;reg rst_n;FIFO tb_FIFO(.sys_clk_p(sys_clk_p),.sys_clk_n(sys_clk_n),.rst_n(rst_n));/**********************************************
*********** 初始化 clk、rst
**********************************************/// 初始化 clkassign sys_clk_n = ~sys_clk_p;initial beginsys_clk_p = 1;forever #2.5 sys_clk_p = ~sys_clk_p;   end// 初始化 rstinitial beginrst_n = 0;#302.5;rst_n = 1;end
endmodule