FPGA 22 嵌入式块Ram 应用之 FIFO （专题：单时种FIFO 和双时钟FIFO的使用）

本是古典何须时尚 2022-08-29 00:28 155阅读 0赞

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# FPGA 22 嵌入式块Ram 应用之 FIFO #

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实验现象:通过在Quartus l软件中调用FifolP核，并进行不同形式的配置，通过仿真来验证其接口时序。

知识点:  
1、FIFO IP核的使用

一、什么是FIFO.  
FIFO的完整英文拼写为First In First Out，即先进先出（也可以理解为程序里面的堆）。FPGA或者ASIC中使用到的FIFO一般指的是对数据的存储具有先进先出特性的一个存储器，常被用于数据的缓存或者高速异步数据的交互。

FIFO从大的情况来分，有两类结构 : 单时钟 FIFO (SCFIFO）和双时钟FIFO(DCFIFO),其中双时钟 FIFO又可以分为普通双时钟(DCFIFO）和混合宽度双时钟FIFO(DCFIFO\_MIXED\_WIDTHS)。三种 FIFO结构的英文含义如下所示:。

SCFIFO:single-clock FIFO.

DCFIFO: dual-clock FIFO (supports same port widths for input and output data).

DCFIFO MIXED\_WIDTHS: dual-clock FIFO (supports different port widths for inputand output data)  
注意:在没有特别指明的情况下，混合宽度双时钟FIFO和双时钟 FIFo统称为双时钟FIFO。

单时种FIFO 和 双 时钟 FIFO 结构图：

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输入端口：

data\[7:0\]： 数据写入端口

wreq : 写请求信号

rdreq : 读请求信号

clock : 时钟

sclr ：同步清零

aclr ：异步清零

输出端口：

q\[7:0\] 数据读取端口

full : FIFO内数据写满状态信号

almost\_full : 数据即将写满信号

empty ： FIFO数据空信号

almost\_empty : 即将数据全部读取完成信号

usedw\[7…0\] : 可用数据个数

单时钟FIFO:  
单时钟FIFO常用于片内数据交互，例如，在 FPGA 的控制下从外部传感器读取到的一连串传感器数据，首先被写入FIFo中，然后再以UART串口的数据发送速率将数据依次发送出去。由于传感器的单次读取数据可能很快，但并不是时刻都需要采集数据，例如某传感器使用SPI接口的协议，FPGA 以2M的SPI数据速率从该传感器中读取20个数据，然后以9600 的波特率通过串口发送出去。此过程每秒钟执行一次。因为2M的数据速率远高于串口9600 的波特率，因此需要将从传感器中采集到的数据首先用FIFO缓存起来，然后再以串口的数据速率缓慢发送出去。这里，由于【传感器数据的读取和串口数据的发送都是可以同步于同一个时钟】的，因此可以使用单时钟结构的FIFO来实现此功能。

为什么可以说是同一个时钟的分析： 传感器那边的SPI的时钟是通过fpga 的clk 经过分频得到的，串口的发送端也是通过fpga 的clk得到的时钟，也就是说，他们都是再CLk 的时钟域下面得到，但是在发送数据的时候，仍然和Clk是相关联的（即： 两个模块之间的内部电路都是基于 always@（posedge Clk or negedge Rst\_n）这么个always条件下来发送或者接收数据的），所以说，即使双方之间的时钟是不一样的，但是都是通过fpga的同一个clk控制进行发送和接收的。

双时钟FIFO：  
双时钟FIFO的一个典型应用就是异步数据的收发。所谓异步数据是指数据的发送端和接收端分别同步与不同的【时钟域】;使用双时钟FIFO的独立的读写时钟结构，能够将不同时钟域中的数据同步到所需的时钟域系统中。例如，在一个高速数据采集系统中，实现将高速ADC采集的数据通过千兆以太网发送到pc机。

分析：（一定要看！！！）

【ADC的采样时钟(CLK1)由外部专用锁相环芯片产生，则高速ADC采样得到的数据就是同步于该时钟信号的，在 FPGA内部，如果 FPGA工作时钟(CLK2)是由独立的时钟芯片加片上锁相环产生的，则CLK1和 CLK2就是两个不同频率的时钟，他们的【频率和相位没有必然的联系，即使频率呈现倍数关系，但是他们两个并不是来自与同一个晶振或者说是来自同一个pll,那么相位就会有所不同，所以两边仍然没有一个确定的关系】，假如CLK1为65M，CLK2为125M，那么就不能使用125M的数据来直接采集65M速率的数据，因为两者数据速率不匹配？–>【解释：假设使用左边的CLK1作为同一个时钟，OK没问题，那么FIFO在读数据的时候，注定也是使用CLK1 来进行（读取/发送）数据的，而使用CLK1来读取的时候，右边模块（UDP\_ETH）的采集数据的CLK2=125M，对于该模块来说，FIFO 发送的其实是一个65Mhz异步数据信号了，所以】，在采集过程中会出现包括亚稳态问题在内的一系列问题，所以这里就需要使用一个具备双时钟结构的FIFO来进行异步数据的收发，进而避免出现亚稳态情况。】下图为使用FIFO进行异步数据收发的简易系统框图:

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双时钟混合宽度的使用：

在此系统中，由于ADC的数据位宽为8位，基于UDP协议的以太网发送模块所需的数据也是8位，因此使用的是非混合宽度的双时钟FIFО结构。假如 CLK1的频率为20M，ADC的数据位宽为16位，则可以使用混合宽度的双时钟 FIFO，在实现异步时钟域数据收发的同时，实现数据位宽的转换。通过设置双时钟FIFO的写入位宽为16位，读取位宽为8位，则可以实现将16位的ADC数据转换为以太网支持的8位发送数据,然后通过以太网发送到pc机。

使用IP核来设计FIFO 的应用及测试

## 单时钟FIFO的使用及配置： ##

1、调用FIFO流程

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FIFO模块选项

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1、模块输入输出定义：

具体可以参考最上方FIFO定义对端口的解释

2、功能配置

①FIFO数据的位宽

② FIFO的深度，和定义的位宽相联系，及开辟的内存空间 = 位宽\*深度

③输入输出是否使用同一个时钟

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1、哪些引脚是你所需要添加的信号

①full 信号

②empty信号

③usedw 信号，统计FIFO内部的数据个数

④almost\_full : 添加一个almost\_full信号，当我们的FIFO接收的数据大于等于某一个数时（eg: >= 254）,使其变为高电平

⑤almost\_empty :添加一个almost\_full信号，当我们的FIFO接收的数据小于某一个数时（eg: <= 254）,使其变为高电平

⑥同步清零信号

⑦异步清零信号

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两种设计方式

① 普通模式

只有 rdreq 使能以后，q\[xx:0\]的数据才会被读取

② show ahead 模式

先取q\[xx:00\],然后发送rdreq信号，可以让FIFO准备下一个信号发送到 q\[xx:0\]端口

③内存块的分配，选择auto模式即可。

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数据输出结果方式：

①性能有限（不考虑逻辑单元的使用，只要保证速度是最快的）

②逻辑单元优先（最小的逻辑设计单元）

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点击 finish 即可。

模板的创建及其使用：

点击进入

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开始创建模板，并导入数据

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双时钟FIFO 的配置及应用

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数据的读取，是先读取低八位，再读取高八位。

FIFO 类似与队列，生活中的例子如：食堂窗口打饭，下课时间到，大家一下课就在窗口拍了一个队伍，但是呢，每一个窗口打饭的阿姨只有一个，所以这就会变成了一个队伍，但是呢，先排队过来的人（除去插队的人），阿姨总是会想给他打饭，这样的话就是一个队列，也就是一个可以理解的FIFO结构。

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