同步FIFO设计详解及代码分享

1. FIFO 简介

FIFO （先入先出, First In First Out ）存储器，在 FPGA和数字 IC设计中非常常用。 根据接入的时钟信号，可以分为同步 FIFO 和异步 FIFO 。

**FIFO 底层基于双口 RAM** ，同步 FIFO 的读写时钟一致，异步 FIFO 读时钟和写时钟不同。 同步时钟主要应用于速率匹配（数据缓冲），类似于乒乓存储提高性能的思想，可以让后级不必等待前级过多时间； 异步 FIFO 主要用于多 bit 信号的跨时钟域处理。

本文讨论同步 FIFO 的结构及控制逻辑设计，并给出代码。

(资料图片仅供参考)

2. 同步 FIFO 接口

对于同步 FIFO ，包含必要的接口如下图所示：

（1） clk ： 时钟信号，读写共用；

（2） rst_n ： 复位信号，视具体设计和芯片采用同步复位还是异步复位，此处默认使用异步低电平复位；

（3） wdata ： 写数据信号，信号后带“ \\ ”表示是多 bit 信号；

（4） rdata ： 读数据信号，信号后带“ \\ ”表示是多 bit 信号；

（5） wfull ： 满信号，指示 FIFO 写满了，不能再写了，如果再写会覆盖掉还没读出的写入数据，造成数据丢失；

（6） rempty ： 空信号，指示 FIFO 读空了，不能在读了，如果再读相当于有的数据重复读了第二遍，造成数据错误；

（7） winc ： 写使能信号，写使能有效时表示希望能写入数据；

（8） rinc ： 读使能信号，读使能有效时表示希望能读出数据；

3. 双口 RAM 接口

在实现 FIFO 时，无论是同步 FIFO 还是异步 FIFO ，通常会通过双口 RAM （ Dual Port RAM ）并添加一些必要的逻辑来实现。双口 RAM 的接口如下图所示。

**左侧全部是写时钟域的，包括写时钟、写数据、写地址和写使能信号；

**

右侧全部是读时钟域的，包括读时钟、读数据、读地址和读使能信号；

4. 基于双口 RAM 的同步 FIFO 结构

根据同步 FIFO 的接口和双口 RAM 的接口，在借助双口 RAM 实现同步 FIFO 时，如下图所示结构，只需要加入读、写控制逻辑即可。在写逻辑中，用于产生写地址和写满信号； 在读逻辑中，用于产生读地址和读空信号。 读写控制逻辑还需要受到读写使能信号的控制。

5. 读写地址产生逻辑

读写地址什么时候能够递增？

显然，对于写地址必须满足：

（1） 写使能有效（要写入）；

（2） 没写满（能写入）；

即：

always @ (posedge clk ornegedge rst_n) begin  if(~rst_n) begin    waddr <= "b0;  end   else begin    if( winc && ~wfull ) begin      waddr <= waddr + 1"b1;    end     else begin      waddr <= waddr;        end   end end

对于读地址必须满足：

（1） 读使能有效（要读出）；

（2） 没读空（能读出）；

即：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin  if(~rst_n) begin    raddr<= "b0;  end   else begin    if( rinc && ~rempty ) begin      raddr <= raddr + 1"b1;    end     else begin      raddr <= raddr;        end   end end

6. 空满信号产生逻辑

搞定了读写地址的控制逻辑，还差最后一步也是最关键的信号：空满信号如何产生。

空： 读空，读地址追上写地址；

满： 写满，写地址追上读地址。

问题来了： 怎么判地址断追上了呢？ 如果地址相等那应该是追上了，即 raadr == waddr 或者 wddr == raddr 。 如果按照这种判断，显然这两个地址追上对方的判断是等效的，无法区分出来到底是写追上读还是读追上写。

可以考虑： 使用 1 个标志位 flag 来额外指示写追上读还是读追上写。

参考前人的文献，判断空满的方式有多种，非常常用的一种是 Clifford E. Cummings 文章中提到的 扩展 1 bit 的读写地址方法，也就是说，将前面提到的 flag 指示信号和原本 N 位的读写地址结合，使用 N+1 位的读写地址，其中最高位用于判断空满信号，其余低位还是正常用于读写地址索引。

以一个 4 深度的 FIFO 实例来说明， 4 深度原本需要 2 bit 的读写地址，现在扩展成 3 bit 。

使用低 2 位来进行双口 RAM 的地址索引，高位用于判断空满。 对于空信号，可以知道当 FIFO 里没有待读出的数据时产生。** 也就是说，此时读追上了写，把之前写的数据刚刚全部都出，读地址和写地址此时指向相同的位置，读地址 - 写地址 =0** ，即

raddr == waddr

对于写满信号， **当写入后还没被读出的数据恰好是 FIFO 深度的时候，产生满信号，即写地址 - 读地址 = FIFO 深度 = 4 ** 。 对照下图可以发现，此时对于双口 RAM 的 2 bit 的地址来说，读写地址一致； 对于最高位来所，写是 1 而读是 0 。

再考虑下图所示的一种情况，写入待读出的数据仍然是 4 个，此时也是 4 深度的 FIFO 已经满了。 读写地址的低位相同，高位是写 0 读 1 。

对于写满的 2 种情况，总结下来，都是低位相同，最高位相反。

即：

raddr[N] = = ~waddr[N]    raddr[N-1:0] = = waddr[N-1:0]

也就是：

raddr == {~waddr[N], waddr[N-1:0]}

所以，空满逻辑产生的代码为：

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin  if(~rst_n) begin    wfull <= "b0;    rempty <= "b0;  end   else begin    wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});    rempty <= (raddr == waddr);  end end

7. 全部代码

`timescale 1ns/1ns  /****************************/// 作者：FPGA探索者/****************************/module sfifo#(  parameter  WIDTH = 8,  parameter   DEPTH = 16)(  input           clk    ,   input           rst_n  ,  input           winc  ,  input            rinc  ,  input     [WIDTH-1:0]  wdata  ,  output reg        wfull  ,  output reg        rempty  ,  output wire [WIDTH-1:0]  rdata);  // 用localparam定义一个参数，可以在文件内使用    localparam ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH);    reg [ADDR_WIDTH:0] waddr;    reg [ADDR_WIDTH:0] raddr;    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin        if(~rst_n) begin            waddr <= "b0;        end         else begin            if( winc && ~wfull ) begin                waddr <= waddr + 1"b1;            end             else begin                waddr <= waddr;                end         end     end     always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin        if(~rst_n) begin            raddr <= "b0;        end         else begin            if( rinc && ~rempty ) begin                raddr <= raddr + 1"b1;            end             else begin                raddr <= raddr;                end         end     end     always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin        if(~rst_n) begin            wfull <= "b0;            rempty <= "b0;        end         else begin            wfull <= (raddr == {~waddr[ADDR_WIDTH], waddr[ADDR_WIDTH-1:0]});            rempty <= (raddr == waddr);        end     end // 带有 parameter 参数的例化格式    dual_port_RAM      #(        .DEPTH(DEPTH),        .WIDTH(WIDTH)    )    dual_port_RAM_U0     (        .wclk(clk),      .wenc(winc),        .waddr(waddr[ADDR_WIDTH-1:0]),       .wdata(wdata),              .rclk(clk),        .renc(rinc),        .raddr(raddr[ADDR_WIDTH-1:0]),       .rdata(rdata)     );       endmodule/**************RAM 子模块*************/module dual_port_RAM #(parameter DEPTH = 16,             parameter WIDTH = 8)(   input wclk  ,input wenc  ,input [$clog2(DEPTH)-1:0] waddr  //深度对2取对数，得到地址的位宽。  ,input [WIDTH-1:0] wdata        //数据写入  ,input rclk  ,input renc  ,input [$clog2(DEPTH)-1:0] raddr  //深度对2取对数，得到地址的位宽。  ,output reg [WIDTH-1:0] rdata     //数据输出);reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [0:DEPTH-1];always @(posedge wclk) begin  if(wenc)    RAM_MEM[waddr] <= wdata;end always @(posedge rclk) begin  if(renc)    rdata <= RAM_MEM[raddr];end endmodule

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