FPGA零基础学习之Vivado-FIFO使用教程

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系统性的掌握技术开发以及相关要求，对个人就业以及职业发展都有着潜在的帮助，希望对大家有所帮助。本次带来Vivado系列，FIFO使用教程。话不多说，上货。

FIFO使用教程

+ u% U/ \; ~6 ^: D$ @% `8 w  c

FIFO的英文全称叫做First in First out，即先进先出。这也就决定了这个IP核的特殊性，先写进去的数据优先被读出，所以，FIFO是不需要地址信号线的，这也是它的一大特点，通常用来做数据的缓存，或者用来解决高速异步数据的交互，即解决了跨时钟域的问题。此外，FIFO还有一个特点，就是数据被读出之后就不存在了，不像RAM和ROM一样，数据被读出后还存在。所以我们如果想进行多次的读，那么就需要进行同样次数的写。

5 `1 z: m5 G% {6 }# K3 N, m' q& G# o8 [

FIFO分为同步时钟和异步时钟，同步FIFO指的是读写使用同一个时钟，在时钟沿信号来的时候进行读写。异步FIFO是指读写在不同时钟下进行，这样我们可以实现读写不同速度。

那么接下来，我们就来实现一下异步FIFO的读写过程。

上图为选择异步FIFO之后的图示，在这个图示中，我们给大家解释一下每个信号的含义。

2 ?- }% q* B1 X, J. l+ c6 j) n

FIFO_WRITE：

# [: R& q* j8 |) @/ @

full：FIFO的满信号，当FIFO的存储空间写满了之后，此信号拉高，否则为低。此信号为FIFO的输出信号。

8 P* o, v6 Z( J6 |% F0 R- Z& V' ~

din[17:0]:FIFO的数据输入，写进FIFO的数据通过此信号线进入FIFO。

) g6 f/ p; x2 \5 s  V

wr_en：FIFO的写使能，当我们要往FIFO里面写入数据时，拉高此信号。此信号为FIFO的输入。

FIFO_READ：

empty：FIFO的空信号，当FIFO的存储空间空了之后，此信号拉高，否则为低。此信号为FIFO的输出信号。

; {& d) F: B: U, i; U

dout：FIFO的数据输出，读出FIFO的数据通过此信号线输出。

rd_en：FIFO的读使能，当我们要从FIFO里面读出数据时，拉高此信号。此信号为FIFO的输入。

  x5 [" N- P0 L1 z, |  E6 b; I) `

rst:FIFO复位，默认高电平有效。

3 f7 x- `% Z# z" _* n! O& P

wr_clk：写时钟

2 k6 C' E3 n) X# |. o- {) G8 Z

rd_clk: 读时钟

1 h' \# e! V4 D9 `! s2 x

wr_rst_busy:写复位忙信号

rd_rst_busy:读复位忙信号

) U1 r: d8 t8 H8 a

在了解了FIFO的端口之后，我们来实现一个应用实例。比如，我们以10MHz的速度往FIFO里面写数据，写满之后，在20MHz的时钟下将数据读出，一直读空。当然，在显示应用中，FIFO的读写是可以同步进行的。

首先，我们先来新建工程。

% r# ~! \  B- S% n/ N) q! z

新建好之后，我们先调用一下IP核：

, u8 O, h# h3 g6 T

在IP核管理器界面，搜索FIFO，然后选中图示所选项双击打开。

3 @2 ^* Q0 z$ |9 Q

在FIFO类型选项，我们选择异步FIFO。刚打开默认的选项为同步FIFO。

- Y- r$ f, e- n+ ?& s8 z+ \, c

: i& W6 ^0 Z$ e2 \# W; X5 \; ]% s

# z+ W  O3 _8 ?' J1 a

在数据端口配置界面，我们将数据位宽改为8bit，深度使用1024。

7 ?* K! B4 ]: ]$ y* `, \

复位端口在这就不再使用了，所以勾选位置取消掉。

2 T1 _: w0 z9 I. r5 x  W

$ G$ @3 M  }1 q: y0 B, [8 n6 L1 x# z

在此界面出现了almost full flag和almost empty flag。这两个信号是几乎满或空的标志信号，在此实验中，我们不使用。

" J7 y$ B; N$ W2 o, q4 j+ j7 w

, V$ }. _" x; n! ~+ H

Data count是FIFO数据用量计数器，代表了此时FIFO的内部存储被使用的情况。假设我们写进去了10个数，那么两个计数器都为10。

7 }/ l; a2 D4 D  ~9 j; q7 M

此界面为IP核的信息，在此界面可以看出，我们的读写深度发生了变化，我们在前面设置的深度为1024，但是在此处显示的却是1023。原因是因为FIFO结构的特殊性，并不是我们设置的有问题。所以，在我们这个异步FIFO中，深度为1023。

. A3 P+ O/ `! e* V* g# G+ j

9 q0 P+ m4 v' q4 x

( r4 ~7 C1 u" @2 q& I3 q

点击OK直接生成。在点击Generate。

" i# N3 W. A: r$ y5 V7 n7 G

此外，我们还需要两个不同时钟，在这里我们使用锁相环生成。

/ n! \7 K+ S# R+ ~. s: r& n9 _

/ k) i% G# ^1 K5 T( }

5 f4 m  E9 ?5 d& }

在管理界面搜索clock。配置过程我们在此前已经讲过，就不在过多叙述。

9 c7 j7 S7 u" y% i1 j8 _& B/ f

接下来我们写一下fifo的写控制器，代码如下:

9 ~4 n5 Q  `! K; N0 p

2 l2 C" X/ i4 j- ^& h; |4 H; ^+ m

因为我们的实验是读空了才写，所以我们用状态机来做，先判断FIFO是否为空。读控制器代码如下：

5 Z0 [  K6 m. C% B0 v. s

顶层代码如下：

9 }3 \. U6 S, m. _

代码写完之后，我们写个仿真验证一下波形，代码如下：

9 _! n5 {* q% L$ n2 V, P

打开波形之后，我们将读写控制模块的信号全部添加到波形窗口：

添加好之后，点击restart和run-all

5 y7 e0 a! H/ c6 h1 M: l

由于波形默认运行10us，我们观察不到全部波形，所以，在此我们继续点击run-all，然后点击break，让仿真停止。

: R  V8 C; \! f% ?' v

" x" q2 w- K) z* m( Y3 I' f

然后，我们观察波形：

在波形里面可以清楚的看到我们的fifo_data_in和q的波形，一长一短。这是因为读的速度快，所以波形维持的时间短。写数据的时间长度是读数据时间长度的两倍。

然后放大波形观察其他信号：

1 \8 {1 c! R4 Y/ }

2 e4 i) _2 s  t+ i  w

- v- c; a, T, \" d( @; k# i4 R

在黄色光标位置，可以看到满信号拉高了，然后写使能就拉低了，状态开始进入到读。在读使能拉高之后，输出q就有了数据，但是我们的empty信号维持了一段时间才拉低，这是因为fifo的特殊结构导致的，在此我们就不再过多讨论。

' g1 f3 n2 [0 k. M  x+ t- I

% W/ T: x/ v5 t  o$ S

结论：异步FIFO控制正确，仿真波形输入和输出信号正常。

& H* Z% m+ v, r  j+ |

Storm_change

程序模块写的很规范