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

作者： ALINX
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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

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;
end

always@(*)
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;
	endcase
end
//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1
always@(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;
end

always@(*)
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;
	endcase
end

//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FIFO
fifo_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。