基于循环队列的FIFO缓存实现

FIFO缓存是介于两个子系统之间的弹性存储器，其概念图如图1所示。它有两个控制信号，wr和rd，用于读操作和写操作。当wr被插入时，输入的数据被写入缓存，此时读操作被忽视。FIFO缓存的head一般情况下总是有效的，因此可在任意时间被读取。rd信号实际上就像“remove”信号；当其被插入的时候，FIFO缓存的第一个项（即head）被移除，下一个项变为可用项。

图1 FIFO缓存的概念框图

在许多应用中，FIFO缓存是一种临界组件，其实现的优化相当复杂。在本节中，我们介绍一种简单的、真实的基于循环序列设计的FIFO缓存。更有效的、基于指定器件实现的FIFO缓存可在Altera或Xilinx的相关手册中找到。

基于循环队列的实现

一种实现FIFO缓存的方法是给寄存器文件添加一个控制电路。寄存器文件通过两个指针像循环队列一样来排列寄存器。写指针（write poniter）指向队列的头（head）；读指针（read poniter）指向队列的尾（tail）。每次读操作或写操作，指针都会前进一个位置。8-字循环队列的操作如图2所示。

图2 基于循环队列的FIFO缓存

FIFO缓存通常包括两个标志信号，full和empty，相应地来指示FIFO满（即不可写）或FIFO空（即不可读）。这两种情况发生在读指针和写指针相等的时候，如图2（a）、（f）和（i）所示的情况。控制器最难的设计任务是获取一种分辨这两种情形的机制。一种方案是使用触发器来跟踪empty和full标志。当系统被初始化时，触发器被设置为1和0；然后在每一个时钟周期根据wr和rd的值来修改。

代码 FIFO缓存

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98

modulefifo #( parameterB=8, // number of bits in a word W=3 // number of address bits ) ( // global clock and aysn reset inputclk, inputrst_n, // fifo interface // fifo control signnal inputrd, inputwr, // fifo status signal outputempty, outputfull, // fifo data bus input[B-1:0] w_data, output[B-1:0] r_data ); // signal declaration reg[B-1:0] array_reg [2**W-1:0]; // register array reg[W-1:0] w_ptr_reg, w_ptr_next, w_ptr_succ; reg[W-1:0] r_ptr_reg, r_ptr_next, r_ptr_succ; regfull_reg, empty_reg, full_next, empty_next; wirewr_en; // body // register file write operation always@(posedgeclk) if(wr_en) array_reg[w_ptr_reg] <= w_data; // register file read operation assignr_data = array_reg[r_ptr_reg]; // write enabled only when FIFO is not full assignwr_en = wr & ~full_reg; // fifo control logic // register for read and write pointers always@(posedgeclk, negedgerst_n) if(!rst_n) begin w_ptr_reg <= 0; r_ptr_reg <= 0; full_reg <= 1'b0; empty_reg <= 1'b1; end else begin w_ptr_reg <= w_ptr_next; r_ptr_reg <= r_ptr_next; full_reg <= full_next; empty_reg <= empty_next; end // next-state logic for read and write pointers always@* begin // successive pointer values w_ptr_succ = w_ptr_reg + 1; r_ptr_succ = r_ptr_reg + 1; // default: keep old values w_ptr_next = w_ptr_reg; r_ptr_next = r_ptr_reg; full_next = full_reg; empty_next = empty_reg; case({wr, rd}) // 2'b00: no op 2'b01: // read if(~empty_reg) // not empty begin r_ptr_next = r_ptr_succ; full_next = 1'b0; if(r_ptr_succ==w_ptr_reg) empty_next = 1'b1; end 2'b10: // write if(~full_reg) // not full begin w_ptr_next = w_ptr_succ; empty_next = 1'b0; if(w_ptr_succ==r_ptr_reg) full_next = 1'b1; end 2'b11: // write and read begin w_ptr_next = w_ptr_succ; r_ptr_next = r_ptr_succ; end endcase end // output assignfull = full_reg; assignempty = empty_reg; endmodule

代码被分为寄存器文件和FIFO控制器两部分。控制器由两个指针和两个标志触发器组成，它们的次态逻辑会检测wr和rd信号，以采取相应的动作。举例说，在“10”条件下，即暗示只发生写操作。先检查标志触发器，以确保缓存不为满。如果满足条件，我们将写指针前进一位，并清除空标志。再多存储一个字（偏移地址为1所对应的数据）可能使得FIFO缓存满，即新的写指针赶上了读指针，我们使用w_ptr_succ==r_ptr_reg表达式来描述这一情况。

根据图2，我写了下面的testbench，其RTL仿真结果与图2一致。

代码 FIFO缓存的testbench

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100

`timescale1ns/1ns modulefifo_tb; localparam T=20; // clock period // global clock and asyn reset regclk, rst_n; // fifo interface regrd, wr; wireempty, full; reg[7:0] w_data; wire[7:0] r_data; // fifo instantiation fifo #(.B(8), .W(3)) fifo_inst ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .rd(rd), .wr(wr), .empty(empty), .full(full), .w_data(w_data), .r_data(r_data) ); // clcok always begin clk = 1'b0; #(T/2); clk = 1'b1; #(T/2); end // reset initial begin rst_n = 1'b0; #(T/2) rst_n = 1'b1; end // stimulus body initial begin // initial input; empty rd=0; wr=0; w_data=8'h00; @(posedgerst_n); // wait to deassert rst_n @(negedgeclk); // wait for a clock // 1 write wr=1; w_data=8'h11; @(negedgeclk); // wait to assert wr wr=0; @(negedgeclk); // wait to deassert wr // 3 writes wr=1; repeat(3) begin w_data=w_data+8'h11; @(negedgeclk); end wr=0; @(negedgeclk); // 1 read rd=1; @(negedgeclk); // wait to assert rd rd=0; @(negedgeclk) // wait to deassert rd // 4 writes wr=1; repeat(4) begin w_data=w_data+8'h11; @(negedgeclk); end wr=0; @(negedgeclk); // 1 write; full wr=1; w_data=8'hAA; @(negedgeclk); wr=0; @(negedgeclk); // 2 reads rd=1; repeat(2) @(negedgeclk); rd=0; @(negedgeclk); // 5 reads rd=1; repeat(5) @(negedgeclk); rd=0; @(negedgeclk); // 1 read; empty rd=1; @(negedgeclk); rd=0; @(negedgeclk); $stop; end endmodule

图3 RTL级仿真波形

审核编辑：汤梓红