FPGA FIFO深度计算的基本步骤和示例

FIFO(First In First Out)是一种先进先出的存储结构，经常被用来在FPGA设计中进行数据缓存或者匹配传输速率。

本文主要介绍FIFO深度计算的方法，FIFO的一个关键参数是其深度，也就是FIFO能够存储的数据条数，FIFO深度设计的合理，可以防止数据溢出，也可以节省FPGA资源的消耗。

一、FIFO深度计算影响因素

影响FIFO深度计算的主要因素包括:

• FIFO的位宽：决定了每个FIFO存储单元的大小
• FIFO的数据字长：决定每个数据词包含多少比特有效数据
• FIFO的总存储容量：决定最大可以存储的数据条数

以32位位宽,8位字长的FIFO为例，每个FIFO存储单元需要32/8=4个字节。

如果FIFO总容量为128字节，那么可以存储128/4=32个数据。

此外,FIFO深度还需要考虑:

• FPGA资源约束条件：过大的FIFO会占用过多资源
• 实际应用需求：深度过小可能导致数据丢失
• 存储密度：选择2的整数次幂作为深度可以优化资源利用

综合考虑上述各因素后确定最佳的FIFO深度。

二、FIFO深度计算步骤

FPGA FIFO深度计算的基本步骤如下：

• 根据传输最恶劣的情况（一段时间内缓存数据量最大的时候），计算剩余数据量（写数据量 - 读数据量）。
• 根据剩余数据总存储容量/写位宽，计算FIFO最大可存储的数据量
• 选择大于等于最大数据量的2的幂作为FIFO深度
• 将FIFO深度转换为二进制表示

如果写比读慢，那就不用担心数据溢出，只有读比写慢的时候，需要考虑fifo深度设计，以防止数据溢出。

三、Verilog代码示例

下面是使用Verilog代码计算FIFO深度的示例:

// FIFO参数  
parameter DATA_WIDTH = 32; // 32位
parameter WORD_SIZE = 8;  // 8位字长 
parameter FIFO_SIZE = 128; // 总容量128字节

// 每个FIFO存储单元的大小
localparam FIFO_CELL_SIZE = DATA_WIDTH / WORD_SIZE;

// FIFO最大可存储数据量
localparam FIFO_MAX_WORDS = FIFO_SIZE / FIFO_CELL_SIZE;  

// 选择大于FIFO_MAX_WORDS的2的幂  
localparam FIFO_DEPTH = (FIFO_MAX_WORDS > 0) ?  
                       (2**$clog2(FIFO_MAX_WORDS)) : 1;

// FIFO深度比特宽
localparam FIFO_DEPTH_WIDTH = $clog2(FIFO_DEPTH);

这个示例中,根据位宽32位、字长8位和容量128字节，计算出FIFO深度为32,需要5比特表示。

四、SystemVerilog代码示例

下面是使用SystemVerilog编写的等价代码:

// FIFO参数
localparam int DATA_WIDTH = 32; 
localparam int WORD_SIZE = 8;
localparam int FIFO_SIZE = 128;

// 每个FIFO存储单元的大小  
localparam int FIFO_CELL_SIZE = DATA_WIDTH / WORD_SIZE;

// FIFO最大可存储数据量
localparam int FIFO_MAX_WORDS = FIFO_SIZE / FIFO_CELL_SIZE;

// 选择大于FIFO_MAX_WORDS的2的幂 
localparam int FIFO_DEPTH = (FIFO_MAX_WORDS > 0) ? 
                            2**(FIFO_MAX_WORDS.log2) : 1;

// FIFO深度比特宽            
localparam int FIFO_DEPTH_WIDTH = $clog2(FIFO_DEPTH);

SystemVerilog通过使用内置的log2函数可以简化代码。

五、FIFO深度计算实例

下面通过一些具体实例进一步说明FIFO深度计算过程。

1、匹配数据带宽

如果FIFO需要匹配指定的数据带宽，那么深度计算要考虑串行化因子的影响。

例如需要200MHz的串行LVDS接口，使用10位数据，那么单位时间内可以传输200MHz * 10位 = 2Gbps的数据。

如果后端接口是32位宽，100MHz,，那么其带宽为100MHz * 32位 = 3.2Gbps。为匹配带宽，前端数据需要缓存,此时FIFO深度计算如下:

后端带宽 = 3.2Gbps  
前端带宽 = 2Gbps
串行化因子 = 后端带宽/前端带宽 = 3.2/2 = 1.6  
FIFO深度 > 串行化因子 = 1.6

因此,选择FIFO深度为2才能匹配带宽需求。

2、防止数据溢出

如果写入FIFO的数据速率可能高于读取速率，那么需要增加FIFO深度来防止数据溢出。

场景1：如写入速率是100MB/s,读取速率是80MB/s,允许最大等待时间为50μs,那么需要的FIFO大小计算如下:

写入速率 = 100MB/s
读取速率 = 80MB/s 
最大等待时间 = 50μs
额外存储量 = 写入速率 × 最大等待时间  
          = 100MB/s × 50μs
          = 5000bit

因此，FIFO深度需要考虑额外存储5000bit的数据量，也就是除了正常存储量外还需要确保至少有5000bit的额外FIFO深度。

场景2：异步FIFO，写时钟100MHZ，读时钟80MHZ。读写位宽均为16bit。已知每100个写周期最多写入960bit数据，读侧每时钟读取一个数据。问：FIFO深度至少为多少？

最恶劣情况：前100个周期的后连续60个周期写入960bit数据，后100个周期的前连续60个周期写入960bit数据。

写数据：最大数量为连续120个写周期内，写入数据量960*2bit = 1920 bit，用时为120/100 ns。

读数据：这段时间内的数据量为 120/100 * 80 * 16bit = 1536 bit 。

最大缓存数据量为 1920 - 1536 = 384 bit

写数据最大缓存深度：384/16 = 24

最大深度需要是2的幂次方，即为32

3、优化资源利用

有时为了优化资源利用，可能需要降低FIFO深度。

例如根据带宽计算,一个18Kb block RAM可以实现depth=512的FIFO，但考虑到资源限制,只能使用一个9Kb RAM，这时可以将FIFO设计为depth=256,节省block RAM资源。

同样,为了优化资源利用，FIFO深度通常设计为2的整数次幂，这可以减少地址解码逻辑所需资源。

六、结论

FIFO深度计算并不复杂，但需要考虑许多实际因素，如带宽匹配、防溢出和资源优化等。一般来说，根据存储需求计算出最大深度，再综合考虑资源和性能约束，选择大于等于该最大深度的2的幂次方作为最终FIFO深度，既能满足存储需求，又可以优化FPGA资源利用。