Verilog同步FIFO设计

同步FIFO(synchronous)的写时钟和读时钟为同一个时钟，FIFO内部所有逻辑都是同步逻辑，常常用于交互数据缓冲。

异步FIFO：数据写入FIFO的时钟和数据读出FIFO的时钟是异步的(asynchronous)

典型同步FIFO有三部分组成:

（1） FIFO写控制逻辑；

（2）FIFO读控制逻辑；

（3）FIFO 存储实体（如Memory、Reg）。

FIFO写控制逻辑主要功能：产生FIFO写地址、写有效信号，同时产生FIFO写 满、写错等状态信号；

FIFO读控制逻辑主要功能：产生FIFO读地址、读有效信号，同时产生FIFO读 空、读错等状态信号。

• 基本概念

  FIFO:先进先出(First-in-first-out) FIFO的深度 同一块数据内存的大小

  FIFO的宽度：写指针：Write-pointer 读指针：Read-pointer

  一般FIFO使用循环指针(计数溢出自动归零)。一般可以称写指针为头head，读指针为尾tail。 初始化时，读写指针指向同一数据地址。下图可见，FIFO初始化时，WP和RP指针指向同一数据单元。WP指向下一个将要写入的数据单元，RP指向将要读出的数据单元
  

  2种方法判断空满：

  1. counter计数器：判断有效数据是否等于FIFO的深度，为0就表示空

     使用fifo_counter记录FIFO RAM中的数据个数，等于0时，给出empty信号，等于BUF_LENGTH时，给出full信号。

     写而未满时增加1 读而未空时减1 同时发生读写操作时，fifo_counter不变

  2. pointer：如果深度为8，那么3bit就可以表示8个数，但是为了判断空满，会多定义一位，也即4bit，WP为1000，RP为0000，我们使用最高位去判断是否在同一单元，用高位判断空满，如果高位相异，就表示满，如果相同表示空。

• 程序代码

  `define BUF_WIDTH 4 // 地址宽度为3+1，
  `define BUF_SIZE 8 // 数据个数，FIFO深度
  module fifo_counter( clk,rst_n,buf_in,buf_out,wr_en,rd_en,buf_empty,buf_full,fifo_cnt);input clk,rst_n; // 时钟与复位信号input wr_en,rd_en; // 读写使能信号input [7:0] buf_in; // 写数据output reg [7:0] buf_out; // 读数据output wire buf_empty,buf_full; // 空满两个状态信号output reg [`BUF_WIDTH-1:0] fifo_cnt;  //判断空满计数器// 读写指针：数据指针3位宽度，0-7索引，8个数据深度，循环指针0-7-0-7reg [`BUF_WIDTH-2:0] rd_ptr,wr_ptr;// 读写容器reg [7:0] buf_mem[0:`BUF_SIZE-1];//判断空满 方式1assign buf_empty = (fifo_cnt == 0); //buf_empty若是reg类型则错，不能使用assign持续赋值assign buf_full = (fifo_cnt == `BUF_SIZE);// fifo_cnt = 8就是满的//判断空满 方式2assign buf_empty = (rd_ptr[3] == wr_ptr[3])&&(rd_ptr[2:0] == wr_ptr[2:0]); assign buf_full = (rd_ptr[3] != wr_ptr[3])&&(rd_ptr[2:0] == wr_ptr[2:0]); // 前后必须同时为1//读数据always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n)buf_out <= 0;if(rd_en && !buf_empty)buf_out <= buf_mem[rd_ptr];end// 写数据always @(posedge clk) beginif(wr_en && !buf_full)buf_mem[wr_ptr] <= buf_in;end// 更改读写指针always @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)beginwr_ptr <= 0;rd_ptr <= 0;endelse begin// 满足写的条件，就把写指针+1if(!buf_full && wr_en)wr_ptr <= wr_ptr + 1;// 满足读的条件，就把读指针+1if(!buf_empty && rd_en)rd_ptr <= rd_ptr + 1;endend// 监控fifo_cntalways @(posedge clk or negedge rst_n)beginif(!rst_n)fifo_cnt <= 0;else if((!buf_full&&wr_en)&&(!buf_empty&&rd_en)) // 同时读写，数量不变fifo_cnt <= fifo_cnt;else if(!buf_full && wr_en) // 写数据：写而未满增加1fifo_cnt <= fifo_cnt + 1;else if(!buf_empty && rd_en) // 读数据：读而未空减1fifo_cnt <= fifo_cnt-1;elsefifo_cnt <= fifo_cnt; // 维持end
  endmodule
  

• TestBench

  `define BUF_WIDTH 4 //地址宽度为3+1，
  `define BUF_SIZE (8) //数据个数，FIFO深度
  module tb_fifo_counter;reg clk,rst_n;reg wr_en,rd_en;reg [7:0] buf_in; // data input to be pushed to bufferwire [7:0] buf_out; // port to output the data using pop. wire buf_empty,buf_full; // buffer empty and full indicationwire [`BUF_WIDTH-1:0] fifo_cnt; // number of data pushed in to bufferfifo_counter dut(.clk(clk),.rst_n(rst_n),.buf_in(buf_in),.buf_out(buf_out),.wr_en(wr_en),.rd_en(rd_en),.buf_empty(buf_empty),.buf_full(buf_full),.fifo_cnt(fifo_cnt));fifo_counter dut(.clk		(clk),.rst_n	(rst_n),.buf_in	(buf_in),.buf_out	(buf_out),.wr_en	(wr_en),.rd_en	(rd_en),.buf_empty	(buf_empty),.buf_full	(buf_full),.fifo_cnt	(fifo_cnt));always #10 clk = ~clk;// 定义一个临时的数据，将读出来的数据暂存reg [7:0] tempdata;initial beginclk = 0;rst_n = 0;wr_en = 0;rd_en = 0;buf_in = 0;#15; rst_n = 1;push(1);// 同时读写forkpush(2);pop(tempdata); // 读取tempdata = 1joinpush(10);push(20);push(30);push(40);push(50);push(60);push(70);// 70push 就会满push(80);push(90);push(100);push(110);push(120);push(130);pop(tempdata); // 读取tempdata = 2push(tempdata); pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);push(140); // 可以写进去pop(tempdata);push(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);pop(tempdata);push(5);pop(tempdata);// 读取tempdata = 5#50 $finish;end// 将data写入fifotask push (input [7:0] data);if(buf_full)$display("---Cannot push %d: Buffer Full---",data);else begin$display("Push",,data);buf_in = data;wr_en = 1;@(posedge clk);#5 wr_en = 0;endendtask// 将data读取出来task pop(output[7:0] data);if(buf_empty)$display("---Cannot Pop: Buffer Empty---");else beginrd_en = 1;@(posedge clk);#3 rd_en = 0;data = buf_out;$display("------Poped:",,data);endendtask
  endmodule
  

  find -name "*.v" > file.list

  makefile文件：

  all:clean com sim
  SEED=1
  com:vcs -full64 -R -sverilog -debug_all -f file.list -l comp.log +ntb_random_seed=$(SEED) \-cm line+cond+fsm+branch+tgl -cm_name simv -cm_dir ./covdir.vdb
  sim:./simv -l sim.log
  rung:./simv -gui -l sim.log
  cov:dve -full64 -covdir *.vdb &
  clean:rm -rf ./csrc *.daidir *.log *.vpd *.vdb simv* *.key *race.out*rm -rf AN.DBrm -rf novas*rm -rf DVEfilesrm -rf urgReport
  

  VCS Coverage Metrics Release O-2018.09-1_Full64 Copyright (c) 1991-2018 by Synopsys Inc.
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  查看波形：make rung