fpga系列 HDL:简化的FIFO实现
CODE
- 下面是一个简化的FIFO实现示例，基于Verilog HDL：
module fifo (input wire clk, // 时钟信号input wire reset, // 异步复位信号input wire wr_en, // 写使能信号input wire rd_en, // 读使能信号input wire [7:0] data_in, // 输入数据output wire [7:0] data_out, // 输出数据output wire full, // FIFO满标志output wire empty // FIFO空标志
);// FIFO参数parameter DEPTH = 16; // FIFO深度parameter WIDTH = 8; // 数据宽度// 内部信号reg [WIDTH-1:0] fifo_mem [0:DEPTH-1]; // FIFO存储器，fifo_mem 是一个可以存储WIDTH 个 8 位数据的数组，每个元素都可以单独访问和操作reg [3:0] rd_pointer; // 读指针reg [3:0] wr_pointer; // 写指针reg [4:0] fifo_count; // FIFO计数器// 读操作assign data_out = fifo_mem[rd_pointer];assign empty = (fifo_count == 0);assign full = (fifo_count == DEPTH);always @(posedge clk or posedge reset) beginif (reset) beginrd_pointer <= 0;wr_pointer <= 0;fifo_count <= 0;endelse begin// 写操作if (wr_en && !full) beginfifo_mem[wr_pointer] <= data_in;wr_pointer <= wr_pointer + 1;fifo_count <= fifo_count + 1;end// 读操作if (rd_en && !empty) beginrd_pointer <= rd_pointer + 1;fifo_count <= fifo_count - 1;endendendendmodule
仿真
FIFO存储器
- FIFO存储器通常由一个环形缓冲区（Circular Buffer）实现。这可以用一个RAM块或者多个寄存器组成的数组来实现。
- 使用了一个数组
fifo_mem来存储数据，多路复用器选择输出数据：
控制逻辑
- 控制逻辑负责管理数据读写操作、更新指针、处理满标志和空标志。它需要确保在FIFO满时不能写入数据，FIFO空时不能读取数据。
- 通过D触发器与加法器实现的自增电路：
- 通过减法器和多路复用器mux实现：
fifo_count <= fifo_count - 1;
读写指针
- 读指针（
read_pointer）和写指针（write_pointer）用来跟踪数据的读写位置。这两个指针是实现FIFO操作的核心。 - 如：
assign data_out = fifo_mem[rd_pointer];
FPGA的FIFO应用
- FIFO（先进先出）缓冲区是一种常见的硬件结构，用于数据存储和传输。在FPGA设计中有许多应用场景：
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数据流控制：在需要协调多个数据流的系统中，FIFO可以用来平衡输入和输出的数据速率。例如，在视频处理、音频处理或通信系统中，FIFO缓冲区可以缓解数据流量的不匹配问题。例：FPGA配置OV2640，读取摄像头数据，SPI串行输出、基于自主 SDRAM 的实时图像采集系统，使用自动读写 FIFO 和 VGA 驱动程序、使用FT232H/FT600芯片进行FPGA与电脑之间的高速数据传输。、Android-FPGA FIFO Transfer
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数据缓冲：FIFO可以作为数据缓冲区来存储数据流中的数据。这对于需要临时存储和传输的应用，如高速数据采集、数据传输或处理管道中，是非常有用的。例：4 路 FIFO 16k 高速缓存的 Verilog 高速缓存实现
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接口匹配：在不同数据速率或协议的接口之间，FIFO可以用于匹配输入和输出数据的速率。例如，连接不同速度的外设时，FIFO可以充当数据传输的桥梁，平滑数据流量差异。例：https://github.com/zhangkunming0216/FIFO_-asynchronous、读写异步fifo（写快读慢）
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时序同步：FIFO可以用于跨时钟域的数据传输，帮助在不同时钟频率或时钟相位下的数据传输中保持数据的完整性。这在异步FIFO设计中尤其重要。例： A dual clock asynchronous FIFO written in verilog, tested with Icarus Verilog
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缓解数据处理延迟：在数据处理流程中，FIFO可以用于存储待处理的数据，从而允许系统处理数据的不同步操作，提高处理效率。例：乒乓 FIFO