【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第八章FPGA片内FIFO读写测试实验

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适用于板卡型号：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

实验Vivado工程为“fifo_test”。

FIFO是FPGA应用当中非常重要的模块，广泛用于数据的缓存，跨时钟域数据处理等。学好FIFO是FPGA的关键，灵活运用好FIFO是一个FPGA工程师必备的技能。本章主要介绍利用XILINX提供的FIFO IP进行读写测试。

1.实验原理

FIFO: First in, First out代表先进的数据先出，后进的数据后出。Xilinx在VIVADO里为我们已经提供了FIFO的IP核, 我们只需通过IP核例化一个FIFO，根据FIFO的读写时序来写入和读取FIFO中存储的数据。

其实FIFO是也是在RAM的基础上增加了许多功能，FIFO的典型结构如下，主要分为读和写两部分，另外就是状态信号，空和满信号，同时还有数据的数量状态信号，与RAM最大的不同是FIFO没有地址线，不能进行随机地址读取数据，什么是随机读取数据呢，也就是可以任意读取某个地址的数据。而FIFO则不同，不能进行随机读取，这样的好处是不用频繁地控制地址线。

虽然用户看不到地址线，但是在FIFO内部还是有地址的操作的，用来控制RAM的读写接口。其地址在读写操作时如下图所示，其中深度值也就是一个FIFO里最大可以存放多少个数据。初始状态下，读写地址都为0，在向FIFO中写入一个数据后，写地址加1，从FIFO中读出一个数据后，读地址加1。此时FIFO的状态即为空，因为写了一个数据，又读出了一个数据。

可以把FIFO想象成一个水池，写通道即为加水，读通道即为放水，假如不间断的加水和放水，如果加水速度比放水速度快，那么FIFO就会有满的时候，如果满了还继续加水就会溢出overflow，如果放水速度比加水速度快，那么FIFO就会有空的时候，所以把握好加水与放水的时机和速度，保证水池一直有水是一项很艰巨的任务。也就是判断空与满的状态，择机写数据或读数据。

根据读写时钟，可以分为同步FIFO（读写时钟相同）和异步FIFO（读写时钟不同）。同步FIFO控制比较简单，不再介绍，本节实验主要介绍异步FIFO的控制，其中读时钟为75MHz，写时钟为100MHz。实验中会通过VIVADO集成的在想逻辑分析仪ila，我们可以观察FIFO的读写时序和从FIFO中读取的数据。

2. 创建Vivado工程

2.1 添加FIFO IP核

在添加FIFO IP之前先新建一个fifo_test的工程, 然后在工程中添加FIFO IP，方法如下：

2.1.1点击下图中IP Catalog，在右侧弹出的界面中搜索fifo，找到FIFO Generator,双击打开。

2.1.2 弹出的配置页面中，这里可以选择读写时钟分开还是用同一个，一般来讲我们使用FIFO为了缓存数据，通常两边的时钟速度是不一样的。所以独立时钟是最常用的，我们这里选择“Independent Clocks Block RAM”，然后点击“Next”到下一个配置页面。

2.1.3 切换到Native Ports栏目下，选择数据位宽16；FIFO深选择512，实际使用大家根据需要自行设置就可以。Read Mode有两种方式，一个Standard FIFO，也就是平时常见的FIFO，数据滞后于读信号一个周期，还有一种方式为First Word Fall Through，数据预取模式，简称FWFT模式。也就是FIFO会预先取出一个数据，当读信号有效时，相应的数据也有效。我们首先做标准FIFO的实验。

2.1.4 切换到Data Counts栏目下，使能Write Data Count（已经FIFO写入多少数据）和Read Data Count（FIFO中有多少数据可以读），这样我们可以通过这两个值来看FIFO内部的数据多少。点击OK,Generate生成FIFO IP。

2.2 FIFO的端口定义与时序

信号名称	方向	说明
rst	in	复位信号，高有效
wr_clk	in	写时钟输入
rd_clk	in	读时钟输入
din	in	写数据
wr_en	in	写使能，高有效
rd_en	in	读使能，高有效
dout	out	读数据
full	out	满信号
empty	out	空信号
rd_data_count	out	可读数据数量
wr_data_count	out	已写入的数据数量

FIFO的数据写入和读出都是按时钟的上升沿操作的，当wr_en信号为高时写入FIFO数据，当almost_full信号有效时，表示FIFO只能再写入一个数据，一旦写入一个数据了，full信号就会拉高，如果在full的情况下wr_en仍然有效，也就是继续向FIFO写数据，则FIFO的overflow就会有效，表示溢出。

标准FIFO写时序

当rd_en信号为高时读FIFO数据，数据在下个周期有效。valid为数据有效信号，almost_empty表示还有一个数据读，当再读一个数据，empty信号有效，如果继续读，则underflow有效，表示下溢，此时读出的数据无效。

标准FIFO读时序

而从FWFT模式读数据时序图可以看出，rd_en信号有效时，有效数据D0已经在数据线上准备好有效了，不会再延后一个周期。这就是与标准FIFO的不同之处。

FWFT FIFO读时序

关于FIFO的详细内容可参考pg057文档，可在xilinx官网下载。

3. FIFO测试程序编写

我们按照异步FIFO进行设计，用PLL产生出两路时钟，分别是100MHz和75MHz，用于写时钟和读时钟，也就是写时钟频率高于读时钟频率。

`timescale1ns/1ps//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////module fifo_test        (                input                clk,                //25MHz时钟                input                rst_n        //复位信号，低电平有效                );reg        [15:0]                w_data                        ;                        //FIFO写数据wire                        wr_en                        ;                        //FIFO写使能wire                        rd_en                        ;                        //FIFO读使能wire[15:0]                r_data                        ;                        //FIFO读数据wire                        full                        ;                        //FIFO满信号wire                        empty                        ;                        //FIFO空信号wire[8:0]                rd_data_count        ;                        //可读数据数量        wire[8:0]                wr_data_count        ;                        //已写入数据数量        wire                                clk_100M                 ;                        //PLL产生100MHz时钟wire                                clk_75M                 ;                        //PLL产生100MHz时钟wire                                locked                         ;                        //PLL lock信号，可作为系统复位信号，高电平表示lock住wire                                fifo_rst_n                 ;                        //fifo复位信号, 低电平有效wire                                wr_clk                         ;                        //写FIFO时钟wire                                rd_clk                         ;                        //读FIFO时钟reg        [7:0]                        wcnt                         ;                        //写FIFO复位后等待计数器reg        [7:0]                        rcnt                         ;                        //读FIFO复位后等待计数器wire               clkbuf          ;   BUFG BUFG_inst (.O(clkbuf),// 1-bit output: Clock output..I(clk)// 1-bit input: Clock input.);//例化PLL，产生100MHz和75MHz时钟clk_wiz_0 fifo_pll(// Clock out ports.clk_out1(clk_100M),                // output clk_out1.clk_out2(clk_75M),                // output clk_out2// Status and control signals.reset(~rst_n),                                // input reset.locked(locked),                // output locked// Clock in ports.clk_in1(clkbuf)                                        // input clk_in1);                        assign fifo_rst_n         = locked        ;        //将PLL的LOCK信号赋值给fifo的复位信号assign wr_clk                 = clk_100M         ;        //将100MHz时钟赋值给写时钟assign rd_clk                 = clk_75M         ;        //将75MHz时钟赋值给读时钟/* 写FIFO状态机 */localparam      W_IDLE      =1        ;localparam      W_FIFO             =2        ;reg[2:0]  write_state;reg[2:0]  next_write_state;always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)begin        if(!fifo_rst_n)                write_state <= W_IDLE;        else                write_state <= next_write_state;endalways@(*)begin        case(write_state)                W_IDLE:                        begin                                if(wcnt ==8'd79)//复位后等待一定时间，safety circuit模式下的最慢时钟60个周期                                        next_write_state <= W_FIFO;                                else                                        next_write_state <= W_IDLE;                        end                W_FIFO:                        next_write_state <= W_FIFO;                        //一直在写FIFO状态                default:                        next_write_state <= W_IDLE;        endcaseend//在IDLE状态下，也就是复位之后，计数器计数always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)begin        if(!fifo_rst_n)                wcnt <=8'd0;        elseif(write_state == W_IDLE)                wcnt <= wcnt +1'b1;        else                wcnt <=8'd0;end//在写FIFO状态下，如果不满就向FIFO中写数据assign wr_en =(write_state == W_FIFO)?~full :1'b0;//在写使能有效情况下，写数据值加1always@(posedge wr_clk ornegedge fifo_rst_n)begin        if(!fifo_rst_n)                w_data <=16'd1;        elseif(wr_en)                w_data <= w_data +1'b1;end/* 读FIFO状态机 */localparam      R_IDLE      =1        ;localparam      R_FIFO             =2        ;reg[2:0]  read_state;reg[2:0]  next_read_state;///产生FIFO读的数据always@(posedge rd_clk ornegedge fifo_rst_n)begin        if(!fifo_rst_n)                read_state <= R_IDLE;        else                read_state <= next_read_state;endalways@(*)begin        case(read_state)                R_IDLE:                        begin                                if(rcnt ==8'd59)        //复位后等待一定时间，safety circuit模式下的最慢时钟60个周期                                        next_read_state <= R_FIFO;                                else                                        next_read_state <= R_IDLE;                        end                R_FIFO:                                next_read_state <= R_FIFO ;                        //一直在读FIFO状态                default:                        next_read_state <= R_IDLE;        endcaseend//在IDLE状态下，也就是复位之后，计数器计数always@(posedge rd_clk ornegedge fifo_rst_n)begin        if(!fifo_rst_n)                rcnt <=8'd0;        elseif(write_state == W_IDLE)                rcnt <= rcnt +1'b1;        else                rcnt <=8'd0;end//在读FIFO状态下，如果不空就从FIFO中读数据assign rd_en =(read_state == R_FIFO)?~empty :1'b0;//-----------------------------------------------------------//实例化FIFOfifo_ip fifo_ip_inst (.rst            (~fifo_rst_n            ),// input rst.wr_clk         (wr_clk                  ),// input wr_clk.rd_clk         (rd_clk                  ),// input rd_clk.din            (w_data               ),// input [15 : 0] din.wr_en          (wr_en                ),// input wr_en.rd_en          (rd_en                ),// input rd_en.dout           (r_data               ),// output [15 : 0] dout.full           (full                 ),// output full.empty          (empty                ),// output empty.rd_data_count  (rd_data_count        ),// output [8 : 0] rd_data_count.wr_data_count  (wr_data_count        )// output [8 : 0] wr_data_count);//写通道逻辑分析仪ila_m0 ila_wfifo (        .clk                (wr_clk                        ),        .probe0                (w_data                        ),                .probe1                (wr_en                        ),                .probe2                (full                        ),                        .probe3                (wr_data_count        ));//读通道逻辑分析仪ila_m0 ila_rfifo (        .clk                (rd_clk                        ),        .probe0                (r_data                        ),                .probe1                (rd_en                        ),                .probe2                (empty                        ),                        .probe3                (rd_data_count        ));        endmodule

在程序中采用PLL的lock信号作为fifo的复位，同时将100MHz时钟赋值给写时钟，75MHz时钟赋值给读时钟。

有一点需要注意的是，FIFO设置默认为采用safety circuit，此功能是保证到达内部RAM的输入信号是同步的，在这种情况下，如果异步复位后，则需要等待60个最慢时钟周期，在本实验中也就是75MHz的60个周期，那么100MHz时钟大概需要(100/75)x60=80个周期。

因此在写状态机中，等待80个周期进入写FIFO状态

在读状态机中，等待60个周期进入读状态

如果FIFO不满，就一直向FIFO写数据

如果FIFO不空，就一直从FIFO读数据

例化两个逻辑分析仪，分别连接写通道和读通道的信号

4. 仿真

以下为仿真结果，可以看到写使能wr_en有效后开始写数据，初始值为0001，从开始写到empty不空，是需要一定周期的，因为内部还要做同步处理。在不空后，开始读数据，读出的数据相对于rd_en滞后一个周期。

在后面可以看到如果FIFO满了，根据程序的设计，满了就不向FIFO写数据了，wr_en也就拉低了。为什么会满呢，就是因为写时钟比读时钟快。如果将写时钟与读时钟调换，也就是读时钟快，就会出现读空的情况，大家可以试一下。

如果将FIFO的Read Mode改成First Word Fall Through

仿真结果如下，可以看到rd_en有效的时候数据也有效，没有相差一个周期

5. 板上验证

生成好bit文件，下载bit文件，会出现两个ila，先来看写通道的，可以看到full信号为高电平时，wr_en为低电平，不再向里面写数据。

而读通道也与仿真一致

如果以rd_en上升沿作为触发条件，点击运行，然后按下复位，也就是我们绑定的PL KEY1，会出现下面的结果，与仿真一致，标准FIFO模式下，数据滞后rd_en一个周期。