一个异步FIFO的设计示例

1、 . 一、异步FIFO技术规范1. 总体描述1.1. 功能定义异步FIFO ( First In First Out)指的是在两个相互独立的时钟域下, 数据从一个时钟域写入FIFO而另一个时钟域又从这个FIFO 中将数据读出。本设计用8*256的RAM实现异步FIFO。具体功能：1 写使能有效，且FIFO不为满时，在写时钟的上升沿向FIFO中写入数据。2 读使能有效，且FIFO不为空时，在读时钟的上升沿从FIFO中读出数据。3 当FIFO写满时产生满信号，当FIFO读空时产生空信号。1.2. 应用范围异步FIFO 是用来作为缓冲的存储器, 它能对数据进行快速、顺序的存储和发送, 主要用来解决不

2、同速率器件间的速率匹配问题。2. 引脚描述图12.1. 引脚功能描述信号名输入/输出功能描述r_clk输入读数据时钟信号w_clk输入写数据时钟信号data_in7：0输入8位的输入数据r_en输入读使能，高电平有效，在FIFO非空时，clk上升沿读入数据；w_en输入写使能，高电平有效，在FIFO非满时，clk上升沿写入数据；rst输入异步清零，低电平有效，低电平时读地址，写地址，计数器都清零。empty输出空信号，高电平有效，当FIFO读空时其值为1full输出满信号，高电平有效，当FIFO写满时其值为1data_out7:0输出8位的输出数据2.2. 引脚时序描述当写满时full由低变高

3、，当读空时empty由低变高。只要不为满full就为低，不为空empty就为低。3. 顶层模块划分图2顶层模块说明：1 ram_fifo ：存储器模块，用于存放及输出数据；2 w_addr_reg : 保存访问RAM的写地址；3 r_addr_reg : 保存访问RAM的读地址；4 w_addr_adder : 计算RAM下一个写地址；5 r_addr_adder: 计算RAM下一个读地址；6 cmp : 将读地址和写地址进行比较产生空满标志。设计思想说明：FIFO满空的判定：当读地址的值加1之后等于写地址的值时，表明FIFO写满，当写地址的值加一之后等于读地址的值时，表明FIFO读空。在初始

4、状态时FIFO的读地址在RAM的中间位置，写地址在RAM的开始位置，所以初始状态FIFO不满也不空。空满信号的产生由组合电路产生。4. 功能模块描述4.1. ram_fifo模块ram_fifo：RAM存储器。用8*256双口RAM实现。4.2. w_addr_reg模块 w_addr_reg模块：写地址寄存器。用来寄存写地址加法器输出的地址。4.3. r_addr_reg模块 r_addr_reg模块：读地址寄存器。用来寄存读地址加法器输出的地址。4.4. w_addr_adder模块 w_addr_adder模块：写地址加法器。把写地址寄存器的输出加一，即表示当前写 地址的下一地址位。当w

5、_en为低时停止累加。4.5. r_addr_adder模块r_addr_adder模块：读地址加法器。把读地址寄存器的输出加一，即表示当前读地址的下一地址位。当r_en为低时停止累加。4.6. cmp模块 cmp模块：读地址和写地址进行比较，产生满空标志。二、异步FIFO总体设计方案1. 概述 异步FIFO有高速、可靠性好等特点。由于异步FIFO 在两个不同时钟系统之间能够快速而方便地传输实时数据, 因此在网络接口、图像处理等方面, 异步FIFO 得到了广泛的应用。异步FIFO 指的是在两个相互独立的时钟域下, 数据从一个时钟域写入FIFO 而另一个时钟域又从这个FIFO 中将数据读出。异步

6、FIFO 通常被用来将数据从一个时钟域安全地传送到另外一时钟域。2. 功能模块设计2.1. ram_fifo模块2.1.1. ram_fifo模块描述ram_fifo：RAM存储器。用8*256双口RAM实现。2.1.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源功能描述w_clk输入PIN写时钟信号w_en输入PIN写使能信号w_addr7:0输入w_addr_reg写地址信号r_clk输入PIN读时钟信号r_en输入PIN读使能信号r_addr7:0输入w_addr_reg读地址信号data_in7:0输入PIN输入数据data_out7:0输出输出数据表22.1.3. 实现说明应使用双口RAM，

7、双地址输入，并且带有读写使能，异步的读写时钟。RAM宽度为8bit，深度为256个存储单元。2.2. w_addr_reg模块2.2.1. w_addr_reg模块描述 w_addr_reg模块：写地址寄存器。用来寄存写地址加法器输出的地址。2.2.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源目标功能描述W_clk 输入PIN写时钟信号Rst输入PIN复位信号，低电平有效W_addr_nt 7:0输入W_addr_addr输入数据W_addr7:0 输出RAMW_addr输出数据表32.2.3. 实现说明在时钟的上升沿将8位的输入数据锁存输出。2.3. r_addr_reg模块2.3.1. r_ad

8、dr_reg模块描述 r_addr_reg模块：读地址寄存器。用来寄存读地址加法器输出的地址。2.3.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源目标功能描述R_clk 输入PIN读时钟信号Rst输入PIN复位信号，低电平有效R_addr _nt7:0输入R_addr_adder输入数据R_addr7:0 输出RAMR_addr输出数据表42.3.3. 实现说明在时钟的上升沿将8位的输入数据所存输出。2.4. w_addr_adder模块2.4.1. w_addr_adder模块描述 w_addr_adder模块：写地址加法器。把写地址寄存器的输出加一，即表示当前写地址的下一地址位。当w_en为低时

9、停止累加。2.4.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源目标功能描述w_en 输入PIN1-允许地址加1；0-禁止地址加1；w_addr7:0输入W_addr_reg输入数据W_addr_nt7:0 输出W_addr_reg加一后输出数据表52.4.3. 实现说明以w_addr为输入，输出为 w_addr+1。2.5. r_addr_adder模块2.5.1. r_addr_adder模块描述r_addr_adder模块：读地址加法器。把读地址寄存器的输出加一，即表示当前读地址的下一地址位。当r_en为低时停止累加。2.5.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源目标功能描述r_en 输入PIN

10、1-允许地址加1；0-禁止地址加1；r_addr7:0输入r_addr_reg输入数据r_addr_nt7:0 输出r_addr_reg加一后输出数据表62.5.3. 实现说明以r_addr为输入，输出为 r_addr+1。2.6. cmp模块2.6.1. cmp模块描述cmp模块：读地址和写地址进行比较，产生满空标志。2.6.2. 管脚描述信号名称输入 / 输出源目标功能描述W_addr7:0输入W_addr_regFIFO当前的写地址R_addr7:0输入R_addr_reFIFO当前的读地址empty输出PIN0-FIFO未空1-FIFO读空full输出PIN0-FIFO未满1-FIFO

11、写满表72.6.3. 实现说明将w_addr加一与r_addr对比，相等则full为1否则为0；将r_addr加一与w_addr对比，相等则empty为1否则为0；三、异步FIFO验证方案总体验证方案1.1. 测试FIFO在正常状态下，是否能写入和读出；full和empty的标志位均为0；1.2. 测试FIFO在写满时，full是否能变为高；当满时读出一个数，full能否由高变低。1.3. 测试FIFO在读空时，empty是否能变为高；当空时写入一个数，empty能否由高变低。1.4. 异步复位后，FIFO是否可以正常工作。另外，在编写激励时，FIFO读空后，则将读使能禁止，FIFO写满后，则

12、将写使能禁止，以保证读出和写入数据的正确性。四、电路设计源代码及仿真激励（1）异步FIFO源代码：module fifo( data_in, data_out, r_en, w_en, r_clk, w_clk, full, empty, rst ); input 7:0data_in;input r_en;input w_en;input r_clk;input w_clk;input rst;output 7:0data_out;output empty;output full;wire 7:0w_addr;wire 7:0r_addr;wire 7:0w_addr_nt;wire 7:0

13、r_addr_nt;ram u1( .data_out(data_out), .data_in(data_in), .w_clk(w_clk), .r_clk(r_clk), .w_en(w_en), .r_en(r_en), .w_addr(w_addr), .r_addr(r_addr) );w_addr_reg u2( .w_addr(w_addr), .w_addr_nt(w_addr_nt), .w_clk(w_clk), .rst(rst) );r_addr_reg u3( .r_addr(r_addr), .r_addr_nt(r_addr_nt), .r_clk(r_clk),

14、 .rst(rst) );w_addr_adder u4( .w_en(w_en), .w_addr(w_addr), .w_addr_nt(w_addr_nt) );r_addr_adder u5( .r_en(r_en), .r_addr(r_addr), .r_addr_nt(r_addr_nt) );cmp u6( .w_addr(w_addr), .r_addr(r_addr), .full(full), .empty(empty) ); endmodulemodule ram( data_out, data_in, w_clk, r_clk, w_en, r_en, w_addr,

15、 r_addr );input 7:0data_in;input w_clk;input r_clk;input w_en;input r_en;input 7:0w_addr;input 7:0r_addr;output 7:0data_out;reg 7:0ram_f255:0;reg 7:0data_out;always(posedge r_clk) begin if(!r_en) data_out <= 8'hzz; else begin data_out <= ram_fr_addr; end endalways(posedge w_clk) begin if(!

16、r_en) ram_fw_addr <= ram_fw_addr; else begin ram_fw_addr <= data_in; end endendmodule/w_addr_regmodule w_addr_reg( w_addr, w_addr_nt, w_clk, rst );input 7:0w_addr_nt;input w_clk;input rst;output 7:0w_addr;reg 7:0w_addr;always(posedge w_clk or negedge rst) begin if(!rst) w_addr <= 8'h1f;

17、 else w_addr <= w_addr_nt; endendmodule/r_addr_regmodule r_addr_reg( r_addr, r_addr_nt, r_clk, rst );input 7:0r_addr_nt;input r_clk;input rst;output 7:0r_addr;reg 7:0r_addr;always(posedge r_clk or negedge rst) begin if(!rst) r_addr <= 8'h00; else r_addr <= r_addr_nt; endendmodule/w_addr

18、_addermodule w_addr_adder( w_en, w_addr, w_addr_nt );input w_en;input 7:0w_addr;output 7:0w_addr_nt;assign w_addr_nt = w_en ? (w_addr + 8'h01) : w_addr;endmodule/r_addr_addermodule r_addr_adder( r_en, r_addr, r_addr_nt );input r_en;input 7:0r_addr;output 7:0r_addr_nt;assign r_addr_nt = r_en ? (r

19、_addr + 8'h01) : r_addr;endmodule/cmpmodule cmp ( w_addr, r_addr, empty, full );input 7:0w_addr;input 7:0r_addr;output empty;output full;assign empty = r_addr + 1 = w_addr;assign full = w_addr + 1 = r_addr;endmodule见fifo_tb.vtimescale 1ns/100psmodule fifo_tb;reg 7:0data_in;reg r_en;reg w_en;reg r_clk;reg w_clk;reg rst;wire 7:0data_out;wire full;wire empty;reg 7:0count;fifo u( .data_in(data_in), .data_out(data_out), .r_en(r_en), .r_clk(r_clk), .w_en(w_en), .w_clk(w_clk), .rst(rst), .full(full), .empty(empty) );i