同步FIFO設計詳解及代碼分享

1. FIFO 簡介

FIFO （先入先出, First In First Out ）存儲器，在 FPGA 和數字 IC 設計中非常常用。 根據接入的時鐘信號，可以分為同步 FIFO 和異步 FIFO 。

**FIFO 底層基于雙口 RAM ** ，同步 FIFO 的讀寫時鐘一致，異步 FIFO 讀時鐘和寫時鐘不同。 同步時鐘主要應用于速率匹配（數據緩沖），類似于乒乓存儲提高性能的思想，可以讓后級不必等待前級過多時間； 異步 FIFO 主要用于多 bit 信號的跨時鐘域處理。

本文討論同步 FIFO 的結構及控制邏輯設計，并給出代碼。

2. 同步 FIFO 接口

對于同步 FIFO ，包含必要的接口如下圖所示：

（1） clk ： 時鐘信號，讀寫共用；

（2） rst_n ： 復位信號，視具體設計和芯片采用同步復位還是異步復位，此處默認使用異步低電平復位；

（3） wdata ： 寫數據信號，信號后帶“ \\ ”表示是多 bit 信號；

（4） rdata ： 讀數據信號，信號后帶“ \\ ”表示是多 bit 信號；

（5） wfull ： 滿信號，指示 FIFO 寫滿了，不能再寫了，如果再寫會覆蓋掉還沒讀出的寫入數據，造成數據丟失；

（6） rempty ： 空信號，指示 FIFO 讀空了，不能在讀了，如果再讀相當于有的數據重復讀了第二遍，造成數據錯誤；

（7） winc ： 寫使能信號，寫使能有效時表示希望能寫入數據；

（8） rinc ： 讀使能信號，讀使能有效時表示希望能讀出數據；

3. 雙口 RAM 接口

在實現 FIFO 時，無論是同步 FIFO 還是異步 FIFO ，通常會通過雙口 RAM （ Dual Port RAM ）并添加一些必要的邏輯來實現。雙口 RAM 的接口如下圖所示。

**左側全部是寫時鐘域的，包括寫時鐘、寫數據、寫地址和寫使能信號；

**

右側全部是讀時鐘域的，包括讀時鐘、讀數據、讀地址和讀使能信號；

4. 基于雙口 RAM 的同步 FIFO 結構

根據同步 FIFO 的接口和雙口 RAM 的接口，在借助雙口 RAM 實現同步 FIFO 時，如下圖所示結構，只需要加入讀、寫控制邏輯即可。在寫邏輯中，用于產生寫地址和寫滿信號； 在讀邏輯中，用于產生讀地址和讀空信號。 讀寫控制邏輯還需要受到讀寫使能信號的控制。

5. 讀寫地址產生邏輯

讀寫地址什么時候能夠遞增？

顯然，對于寫地址必須滿足：

（1） 寫使能有效（要寫入）；

（2） 沒寫滿（能寫入）；

即：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) 
begin
  if(~rst_n) begin
    waddr <= 'b0;
  end 
  else begin
    if( winc && ~wfull ) begin
      waddr <= waddr + 1'b1;
    end 
    else begin
      waddr <= waddr;    
    end 
  end 
end

對于讀地址必須滿足：

（1） 讀使能有效（要讀出）；

（2） 沒讀空（能讀出）；

即：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) 
begin
  if(~rst_n) begin
    raddr <= 'b0;
  end 
  else begin
    if( rinc && ~rempty ) begin
      raddr <= raddr + 1'b1;
    end 
    else begin
      raddr <= raddr;    
    end 
  end 
end

6. 空滿信號產生邏輯

搞定了讀寫地址的控制邏輯，還差最后一步也是最關鍵的信號：空滿信號如何產生。

空： 讀空，讀地址追上寫地址；

滿： 寫滿，寫地址追上讀地址。

問題來了： 怎么判地址斷追上了呢？ 如果地址相等那應該是追上了，即 raadr == waddr 或者 wddr == raddr 。 如果按照這種判斷，顯然這兩個地址追上對方的判斷是等效的，無法區分出來到底是寫追上讀還是讀追上寫。

可以考慮： 使用 1 個標志位 flag 來額外指示寫追上讀還是讀追上寫。

參考前人的文獻，判斷空滿的方式有多種，非常常用的一種是 Clifford E. Cummings 文章中提到的 擴展 1 bit 的讀寫地址方法 ，也就是說，將前面提到的 flag 指示信號和原本 N 位的讀寫地址結合，使用 N+1 位的讀寫地址，其中最高位用于判斷空滿信號，其余低位還是正常用于讀寫地址索引。

以一個 4 深度的 FIFO 實例來說明， 4 深度原本需要 2 bit 的讀寫地址，現在擴展成 3 bit 。

使用低 2 位來進行雙口 RAM 的地址索引，高位用于判斷空滿。 對于空信號，可以知道當 FIFO 里沒有待讀出的數據時產生。** 也就是說，此時讀追上了寫，把之前寫的數據剛剛全部都出，讀地址和寫地址此時指向相同的位置，讀地址 - 寫地址 =0** ，即

raddr == waddr

對于寫滿信號， **當寫入后還沒被讀出的數據恰好是 FIFO 深度的時候，產生滿信號，即寫地址 - 讀地址 = FIFO 深度 = 4 ** 。 對照下圖可以發現，此時對于雙口 RAM 的 2 bit 的地址來說，讀寫地址一致； 對于最高位來所，寫是 1 而讀是 0 。

再考慮下圖所示的一種情況，寫入待讀出的數據仍然是 4 個，此時也是 4 深度的 FIFO 已經滿了。 讀寫地址的低位相同，高位是寫 0 讀 1 。

對于寫滿的 2 種情況，總結下來，都是低位相同，最高位相反。

即：

raddr[N] = = ~waddr[N]    
raddr[N-1:0] = = waddr[N-1:0]

也就是：

raddr == {~waddr[N], waddr[N-1:0]}

所以，空滿邏輯產生的代碼為：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) 
begin
  if(~rst_n) begin
    wfull <= 'b0;
    rempty <= 'b0;
  end 
  else begin
    wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});
    rempty <= (raddr == waddr);
  end 
end

7. 全部代碼

`timescale 1ns/1ns  


/****************************/
// 作者：FPGA探索者
/****************************/
module sfifo#(
  parameter  WIDTH = 8,
  parameter   DEPTH = 16
)(
  input           clk    , 
  input           rst_n  ,
  input           winc  ,
  input            rinc  ,
  input     [WIDTH-1:0]  wdata  ,


  output reg        wfull  ,
  output reg        rempty  ,
  output wire [WIDTH-1:0]  rdata
);
  // 用localparam定義一個參數，可以在文件內使用
    localparam ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH);


    reg [ADDR_WIDTH:0] waddr;
    reg [ADDR_WIDTH:0] raddr;
    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n) begin
            waddr <= 'b0;
        end 
        else begin
            if( winc && ~wfull ) begin
                waddr <= waddr + 1'b1;
            end 
            else begin
                waddr <= waddr;    
            end 
        end 
    end 


    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n) begin
            raddr <= 'b0;
        end 
        else begin
            if( rinc && ~rempty ) begin
                raddr <= raddr + 1'b1;
            end 
            else begin
                raddr <= raddr;    
            end 
        end 
    end 


    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if(~rst_n) begin
            wfull <= 'b0;
            rempty <= 'b0;
        end 
        else begin
            wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});
            rempty <= (raddr == waddr);
        end 
    end 


// 帶有 parameter 參數的例化格式    
dual_port_RAM  
    #(
        .DEPTH(DEPTH),
        .WIDTH(WIDTH)
    )
    dual_port_RAM_U0 
    (
        .wclk(clk),
      .wenc(winc),
        .waddr(waddr[ADDR_WIDTH-1:0]), 
      .wdata(wdata),        
      .rclk(clk),
        .renc(rinc),
        .raddr(raddr[ADDR_WIDTH-1:0]), 
      .rdata(rdata)     
);       
endmodule


/**************RAM 子模塊*************/
module dual_port_RAM #(parameter DEPTH = 16,
             parameter WIDTH = 8)(
   input wclk
  ,input wenc
  ,input [$clog2(DEPTH)-1:0] waddr  //深度對2取對數，得到地址的位寬。
  ,input [WIDTH-1:0] wdata        //數據寫入
  ,input rclk
  ,input renc
  ,input [$clog2(DEPTH)-1:0] raddr  //深度對2取對數，得到地址的位寬。
  ,output reg [WIDTH-1:0] rdata     //數據輸出
);


reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [0:DEPTH-1];


always @(posedge wclk) begin
  if(wenc)
    RAM_MEM[waddr] <= wdata;
end 


always @(posedge rclk) begin
  if(renc)
    rdata <= RAM_MEM[raddr];
end 


endmodule