【FPGA IP系列】FIFO的通俗理解

FPGA厂商提供了丰富的IP核，基础性IP核都是可以直接免费调用的，比如FIFO、RAM等等。

本文主要介绍FIFO的一些基础知识，帮助大家能够理解FIFO的基础概念。

一、FIFO介绍

FIFO全称是First In First Out，即先进先出。

FIFO是一个数据缓存队列，主要特点就是数据顺序写入，再按照同样的顺序输出数据，即先进去的数据先被取出来。

1、FIFO的通俗理解

FIFO可以类比一个水池。

当写通道打开时，就相当于往水池里加水；而当读通道打开时，就相当于从水池中放水。

如果持续不断地加水和放水，如果加水速度超过了放水速度，那么水池就会满了，这时FIFO就会发生溢出，水会溢出水池。

相反，如果放水速度快于加水速度，那么水池就会变空，FIFO就会出现空的情况。

2、FIFO的分类

根据FIFO输入时钟的区别，可以分为同步FIFO和异步FIFO。

同步 FIFO 只有一个独立的时钟端口 clock，所有的输入输出信号都同步于 clock 信号。

异步FIFO有两个时钟，写端口和读端口分别有独立的时钟，所有写相关的信号都是属于写时钟，所有与读相关的信号都属于读时钟。

2、FIFO IP

FIFO一般不需要自己去写代码实现，FPGA官方软件都提供了FIFO IP，直接使用即可。

FPGA IP特性：

• 配置选项和控制手段广泛：提供了丰富的配置选项和控制手段，可以根据用户的需求进行灵活配置。

• 灵活的接口和支持多种数据宽度：接口设计灵活，同时支持多种不同数据宽度的操作。

• 支持多种读写模式：支持单写单读、单写多读、多写单读、多写多读等读写模式，可以适应不同的应用场景。

• 多种存储方式：支持异步、同步等不同的存储方式，可以根据需求选择合适的存储方式。

• 可配置的参数：可以配置深度、宽度、读写数据宽度等参数，使得用户可以按需定制FIFO的特性。

二、FIFO的应用

FIFO的应用非常广泛，其中同步fifo主要用于处理数据缓存，异步fifo主要用于处理跨时钟数据传输处理。

常用的应用场景如下：

接口数据/消息缓冲：FIFO可以用于缓存数据或消息，以应对数据流量突发情况，同时降低或消除背压的频率，减小上级模块的复杂度。

接口协议隔离：在模块与复杂的协议进行对接时，FIFO可以作为隔离后的用户接口，降低模块接口协议设计复杂度，并实现协议接口的IP化，提高系统的复用性。

跨时钟域处理：FIFO可以用于处理异步时钟域的数据、消息和总线。通过FIFO，可以实现简单、快速、安全的跨时钟域处理。

数据位宽转换：FIFO可以用于实现数据的位宽转换，例如从512位转换为256位。

三、FIFO的重要概念

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1、主要端口

读写时钟：同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟。异步FIFO读写时钟是独立的两个时钟。

读写使能：读写控制的使能

满信号：FIFO里面的缓存数据数量达到了最大深度值

空信号：FIFO里面的缓存全部被读空

深度：FIFO所能容纳的最大数据数量

2、FIFO的存储结构

FIFO通常采用循环存储结构，即存储空间是一个环形的缓冲区。

数据写入时，从第一个写入地址开始，依次向后写入；数据读取时，从第一个读取地址开始，依次向后读取。

当写入数据量达到FIFO的深度时，将不能再写入数据，此时需要停止写入操作，等待读取操作将数据读出，否则将发生溢出。

同样，当读取数据量达到FIFO的深度时，将不能再读取数据，此时需要停止读取操作，等待写入操作将数据写入。

3、FIFO的空满状态

FIFO具有空标志和满标志，用于指示FIFO的存储状态。

当FIFO空时，写入操作将停止，直到FIFO非空；当FIFO满时，读取操作将停止，直到FIFO非满。

空满状态的判断通常采用比较读写指针的位置关系，例如当写入指针等于读取指针时，FIFO为空；当写入指针比读取指针多一位（达到FIFO的深度）时，FIFO为满。

4、FIFO的读写操作

FIFO的读写操作遵循先进先出的原则。

写入数据时，根据写地址将数据写入FIFO的空闲位置；读取数据时，根据读地址从FIFO的存储位置读取数据。

在连续的读写操作中，读写指针会自动递增，以便在下次读写时正确指向FIFO的下一个位置。

5、FIFO的同步处理

由于FIFO通常涉及不同时钟域之间的数据传输，因此需要进行同步处理。

在异步FIFO中，写入时钟和读取时钟是不同的，需要使用握手协议进行同步。

在同步FIFO中，读写时钟是同一个时钟，但仍然需要进行时序分析，以保证数据的稳定性和可靠性

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