单口RAM、同步FIFO、异步FIFO的设计

单口 RAM

module BRAM_PORTA(
input clka,
input ena,
input wea,
input [3:0]  addra,
input [15:0] dina,
output reg [15:0] douta
);


reg [15:0] mem [15:0];


always @(posedge clka)begin
    if(ena)begin
        if(wea)begin//写数据
            mem[addra] <= dina;
            douta      <= 16'bzzzzzzzzzzzzzzzz;
        end
        else begin  //读数据
            douta      <= mem[addra];
            mem[addra] <= mem[addra];
        end
    end 
    else
        douta <= 16'bzzzzzzzzzzzzzzzz;
end


endmodule

同步 FIFO

`define INDEX 6
`define WIDTH 16
`define DEPTH 64
module Sync_FIFO(
input clk,
input rst_n,
input re,
input we,
input [`WIDTH-1:0] din,
output empty,
output full,
output reg [`INDEX-1:0] fifo_cnt,
output reg [`WIDTH-1:0] dout
);


reg [`WIDTH-1:0] mem [`DEPTH-1:0];
reg [`INDEX-1:0] raddr;
reg [`INDEX-1:0] waddr;


// 1、空满标志；
assign empty = (fifo_cnt == 0) ? 1:0;
assign full  = (fifo_cnt == `DEPTH-1) ? 1:0;


// 2、读写计数；
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        fifo_cnt <= 0;
    else begin
        if((!empty && re)&&(!full && we))// 同时读写，计数不变；
            fifo_cnt <= fifo_cnt;
        else if(!empty && re)// 读数据，计数减一；
            fifo_cnt <= fifo_cnt - 1'b1;
        else if(!full && we)// 写数据，计数加一；
            fifo_cnt <= fifo_cnt + 1'b1;
        else
            fifo_cnt <= fifo_cnt;
    end  
end


// 3、读写数据；
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin// 读数据；
    if(!rst_n)
        dout <= 0;
    else begin
        if(!empty && re)
            dout <= mem[raddr];
        else
            dout <= dout;
    end  
end
always @(posedge clk)begin// 写数据；
        if(!full && we)
            mem[raddr] <= din;
        else
            mem[raddr] <= mem[waddr];
end


// 4、读写地址；
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin// 写地址；
    if(!rst_n)
        waddr <= 0;
    else begin
        if(!full && we)
            waddr <= waddr + 1'b1;
        else
            waddr <= waddr;
    end  
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin// 读地址；
    if(!rst_n)
        raddr <= 0;
    else begin
        if(!empty && re)
            raddr <= raddr + 1'b1;
        else
            raddr <= raddr;
    end  
end


endmodule

异步 FIFO

`define INDEX 6  // FIFO 索引；
`define WIDTH 16 // FIFO 宽度；
`define DEPTH 64 // FIFO 深度；
module Async_FIFO(
input rd_clk,
input wr_clk,
input rst_n,
input re,
input we,
input [`WIDTH-1:0] din,
output empty,
output full,
output [`WIDTH-1:0] dout
);


reg  [`WIDTH-1:0] mem [`DEPTH-1:0];
wire [`INDEX-1:0] raddr;
wire [`INDEX-1:0] waddr;
reg  [`INDEX:0] wbin,rbin;
wire [`INDEX:0] wbin_next,rbin_next,wgray_next,rgray_next;
reg  [`INDEX:0] rp,wr1_rp,wr2_rp,wp,rd1_wp,rd2_wp;


// 1、空满标志；
// 可能需要延时；
assign empty = (rd2_wp == rgray_next) ? 1:0;
assign full  = ({~wr2_rp[`INDEX:`INDEX-1],wr2_rp[`INDEX-2:0]} == wgray_next) ? 1:0;// 高两位不同，取反；


// 2、读计数；
// 产生读地址 raddr + 读地址自增 + 将普通二进制码转化为格雷码，并赋给读指针 rp；
// 将读指针 rp 同步到写时钟域；
always @(posedge rd_clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        {rbin,rp} <= 0;
    else
        {rbin,rp} <= {rbin_next,rgray_next};
end


assign raddr = rbin[`INDEX-1:0];// 抛弃高位；
assign rbin_next = rbin + (!empty && re);// 地址加一；
assign rgray_next = rbin_next ^ (rbin_next > > 1);// 转为格雷码，右移 + 异或；


always @(posedge wr_clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        {wr2_rp,wr1_rp} <= 0;
    else
        {wr2_rp,wr1_rp} <= {wr1_rp,rp}; 
end


// 3、写计数；
// 产生写地址 waddr + 写地址自增 + 将普通二进制码转化为格雷码，并赋给写指针 wp；
// 将写指针 wp 同步到读时钟域；
always @(posedge wr_clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        {wbin,wp} <= 0;
    else
        {wbin,wp} <= {wbin_next,wgray_next};
end


assign waddr = wbin[`INDEX-1:0];// 抛弃高位；
assign wbin_next = wbin + (!full && we);// 地址加一；
assign wgray_next = wbin_next ^ (wbin_next > > 1);// 转为格雷码，右移 + 异或；


always @(posedge rd_clk or negedge rst_n)begin
    if(!rst_n)
        {rd2_wp,rd1_wp} <= 0;
    else
        {rd2_wp,rd1_wp} <= {rd1_wp,wp}; // 多比特的，但是只有单比特发生变化，属于单比特处理领域；
end


// 4、异步读数据；
assign dout = mem[raddr];


// 5、同步写数据；
always @(posedge wr_clk)begin
        if(!full && we)
            mem[waddr] <= din;
        else
            mem[waddr] <= mem[waddr];
end


endmodule