基于FPGA的非对称同步FIFO设计
（华强电子世界网讯） 本文在分析了非对称同步FIFO的结构特点及其设计难点的基础上，采用VHDL描述语言，并结合FPGA，实现了一种非对称同步FIFO的设计。
关键词：非对称同步FIFO；VHDL；FPGA；DLL；BlockRAM
引言
FIFO是一种常用于数据缓存的电路器件，可应用于包括高速数据采集、多处理器接口和通信中的高速缓冲等各种领域。然而在某些应用，例如在某数据采集和处理系统中，需要通过同步FIFO来连接8位A/D和16位数据总线的MCU，但是由于目前同步FIFO器件的输入与输出数据总线宽度相等，不能满足这种应用，因此通常采用输入与输出数据总线宽度均为8位的同步FIFO作为它们之间的数据缓冲，并对MCU数据总线的高8位采用软件进行屏蔽，或是在同步FIFO外围增加数据锁存器及逻辑控制器件的方法解决。为了提高效率和降低系统设计的难度，本文采用VHDL描述语言，充分利用Xilinx公司Spartan II FPGA的系统资源，设计实现了一种非对称同步FIFO(输入与输出数据总线宽度不一致的同步FIFO)，它不仅提供数据缓冲，而且能进行数据总线宽度的转换。
非对称同步FIFO的设计难点
对于非对称同步FIFO的设计来说，不能简单地通过修改现成的同步FIFO模块而得到，这是因为非对称同步FIFO的设计有以下几个需要解决的难点问题：
(1) 写数据与读数据总线宽度不同。设写数据与读数据总线宽度分别为Win和Wout，必须对Win>Wout和Win
(2) 如何协调内部处理过程中不同的时钟频率。例如输入2个8位字节需2个时钟周期，而输出1个16位字节只需1个时钟周期，所以必须为内部数据处理提供不同的时钟频率。
(3) 由于写数据与读数据总线宽度不同，所以，要操作正确，必须保证数据存储排列的顺序及空/满标志产生的正确。
另外，由于FPGA中的寄存器个数有限，而FIFO是一种基于RAM的器件，需要占用大量的存储空间。通常在编写VHDL程序时用数组描述的方法来设计数据存储结构，在综合时会耗用大量的寄存器，所以这种方法在FIFO的设计中是不可行的。
非对称同步FIFO的设计
针对以上设计中的难点，本文采用VHDL描述语言，利用Xilinx公司Spartan II FPGA设计实现了一种非对称同步FIFO，设计中充分利用了FPGA中的资源如时钟延迟锁相环(DLL)和BlockRAM。
FPGA中的DLL
FPGA 中的DLL是一种很好的资源，Xilinx公司Spartan II、Spartan IIE、Virtex-E等系列器件中就采用时钟延迟锁相环技术进行FPGA内部的时钟控制，它可以对时钟进行倍频、锁相等操作。
本设计中要利用Spartan II系列器件中的DLL产生二倍频时钟信号，电路原理图如图1所示。其中IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF是时钟缓冲器，提供时钟信号的最小时延。
FPGA中的RAM
Xilinx公司的FPGA器件提供了片内RAM可供直接使用，而不必使用寄存器来构成存储空间，从而大大提高了芯片的利用率。根据型号的不同，FPGA中提供了两种结构的RAM：分布式RAM和BlockRAM。分布式RAM可以利用可配置逻辑模块(CLB) 设计实现，主要用于小容量片内存储；BlockRAM是FPGA内部的专用RAM模块，通常沿芯片的垂直边排列。根据具体型号不同，FPGA内部的BlockRAM在单位容量和总体容量上都有较大的不同。本设计将采用BlockRAM用于FIFO的编写。由于在Xilinx公司Spartan II FPGA器件库中没有现成的宏模块，就需要自己生成BlockRAM模块，具有较高的灵活度。利用Xilinx公司的配套软件ISE Foundation和ISE WebPACK中都带有的CoreGenerator程序包，可以很方便地建立用户所需的模块。只需要输入BlockRAM模块的名称、BlockRAM的类型(如单口还是双口)、地址线和数据线的宽度，就可以生成用户希望得到的结构。一般来说，生成的结构会自动加载到当前的项目中，从而可以像器件库中的元件一样调用。
非对称同步FIFO的结构
下面以Win
(1) 由于写数据与读数据总线宽度不同，所以在设计双口RAM时把双口RAM设计成写口RAM和读口RAM两个部分。例如FIFO写口RAM部分为512×8，读口RAM部分为256×16，这样通过数据存储格式的改变达到写数据与读数据总线宽度的转换。
(2) 由于读数据时钟频率是写数据时钟频率的两倍，因此可利用FPGA中的DLL产生二倍频时钟信号来提高写数据的时钟频率，使读数据和写数据的时钟频率相等。二倍频时钟信号提供给写口RAM、写地址产生模块，而源时钟信号(一倍频)提供给读口RAM、读地址产生模块及空/满标志产生模块，从而解决了内部数据处理同步的问题。
(3) 由于双口RAM中存在两种数据存储格式，因此地址位数不同，读地址和写地址不能一一对应，例如FIFO写口RAM部分为512×8，读口RAM部分为256×16，因此写地址要求9位，而读地址要求8位，对于同一数据的写地址与读地址，写地址的高8位与读地址的8位相等，它们的区别仅在写地址的最低一位。因此可把写地址的高8位与读地址一同输入空/满标志产生模块，从而得到正确的full和empty信号。下面仅给出读写地址产生逻辑及空/满标志产生逻辑的
VHDL设计程序：
fifo_write : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
wr_addr <= 0; //写地址初始化
else
if (wr_en = '1' and full = '0')then
wr_data_buf (wr_addr) <= To_Bitvector(wr_data (7 downto 0));
//写数据，其中wr_data_buf定义为基于BlockRAM的存储矩阵
wr_addr <= (wr_addr + 1) mod 8;// 写地址增加1
end if;
end if;
end process;
fifo_read : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
rd_addr <= 0;
//读地址初始化
else
if (rd_en = '1' and empty = '0') then
rd_data (15 downto 0) <= wr_data_buf (rd_addr);//读数据
rd_addr <= (rd_addr - 1) mod 16;// 读地址减1
end if;
end if;
end process;
wr_addr1 <= wr_addr / 2 ;//取写地址的高8bit
Offset <= (wr_addr1 - rd_addr) when (wr_addr 1> rd_addr)
else (m - (rd_addr - wr_addr1)) when (rd_addr > wr_addr1) ;// m定义为fifo的深度
else 0;
empty<= '1' when (Offset = 0) else '0';
full<= '1' when (Offset = (m-1)) else '0';
方案实现
文中用VHDL语言描述了硬件结构，在Xilinx 公司Spartan II FPGA XC2S100-TQ144中通过了Xilinx ISE WebPACK的综合及布局布线。FPGA的规模是10万门，速度可达到56.344MHz。
有几点需要说明的是：(1) VHDL程序设计采用多层次的结构设计方法，把系统分解成若干个模块，其中模块又由若干个元件构成。设计从元件开始，其中设计中用到的CLKDLL、IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF等元件位于Xilinx公司 FPGA专用器件库UNISIM中，在编写VHDL程序时，用COMPONENT和PORT MAP指令调用专门的模块，就可以在程序中导入所需元件。(2) 作为非对称同步FIFO，用波形图的方式进行仿真不太合适，可用VHDL建立测试平台的方式进行仿真，测试平台中把非对称同步FIFO主程序作为一个元件调用，主要包括初始化、时钟产生块、读写数据等内容，输入激励由测试平台产生。(3)由于Spartan II FPGA中BlockRAM单位容量和总体容量有限，如XC2S100中BlockRAM的单位容量为4Kbit，共10个, 则总体容量为40Kbit。设计时可以用多个BlockRAM组成不同深度和宽度的存储单元，如果容量还是不够则需要选用其它型号的FPGA。
结语
采用本文的设计思路，同样可以设计出Win>Wout情形下的非对称同步FIFO，而且该方案具有很强的灵活性并易于实现。如通信只需单向进行，则只用一片FPGA即可；双向通信时需用两片FPGA。经过实际验证，该方案可以满足一般需要。
关键词：非对称同步FIFO；VHDL；FPGA；DLL；BlockRAM
引言
FIFO是一种常用于数据缓存的电路器件，可应用于包括高速数据采集、多处理器接口和通信中的高速缓冲等各种领域。然而在某些应用，例如在某数据采集和处理系统中，需要通过同步FIFO来连接8位A/D和16位数据总线的MCU，但是由于目前同步FIFO器件的输入与输出数据总线宽度相等，不能满足这种应用，因此通常采用输入与输出数据总线宽度均为8位的同步FIFO作为它们之间的数据缓冲，并对MCU数据总线的高8位采用软件进行屏蔽，或是在同步FIFO外围增加数据锁存器及逻辑控制器件的方法解决。为了提高效率和降低系统设计的难度，本文采用VHDL描述语言，充分利用Xilinx公司Spartan II FPGA的系统资源，设计实现了一种非对称同步FIFO(输入与输出数据总线宽度不一致的同步FIFO)，它不仅提供数据缓冲，而且能进行数据总线宽度的转换。
非对称同步FIFO的设计难点
对于非对称同步FIFO的设计来说，不能简单地通过修改现成的同步FIFO模块而得到，这是因为非对称同步FIFO的设计有以下几个需要解决的难点问题：
(1) 写数据与读数据总线宽度不同。设写数据与读数据总线宽度分别为Win和Wout，必须对Win>Wout和Win
(2) 如何协调内部处理过程中不同的时钟频率。例如输入2个8位字节需2个时钟周期，而输出1个16位字节只需1个时钟周期，所以必须为内部数据处理提供不同的时钟频率。
(3) 由于写数据与读数据总线宽度不同，所以，要操作正确，必须保证数据存储排列的顺序及空/满标志产生的正确。
另外，由于FPGA中的寄存器个数有限，而FIFO是一种基于RAM的器件，需要占用大量的存储空间。通常在编写VHDL程序时用数组描述的方法来设计数据存储结构，在综合时会耗用大量的寄存器，所以这种方法在FIFO的设计中是不可行的。
非对称同步FIFO的设计
针对以上设计中的难点，本文采用VHDL描述语言，利用Xilinx公司Spartan II FPGA设计实现了一种非对称同步FIFO，设计中充分利用了FPGA中的资源如时钟延迟锁相环(DLL)和BlockRAM。
FPGA中的DLL
FPGA 中的DLL是一种很好的资源，Xilinx公司Spartan II、Spartan IIE、Virtex-E等系列器件中就采用时钟延迟锁相环技术进行FPGA内部的时钟控制，它可以对时钟进行倍频、锁相等操作。
本设计中要利用Spartan II系列器件中的DLL产生二倍频时钟信号，电路原理图如图1所示。其中IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF是时钟缓冲器，提供时钟信号的最小时延。
FPGA中的RAM
Xilinx公司的FPGA器件提供了片内RAM可供直接使用，而不必使用寄存器来构成存储空间，从而大大提高了芯片的利用率。根据型号的不同，FPGA中提供了两种结构的RAM：分布式RAM和BlockRAM。分布式RAM可以利用可配置逻辑模块(CLB) 设计实现，主要用于小容量片内存储；BlockRAM是FPGA内部的专用RAM模块，通常沿芯片的垂直边排列。根据具体型号不同，FPGA内部的BlockRAM在单位容量和总体容量上都有较大的不同。本设计将采用BlockRAM用于FIFO的编写。由于在Xilinx公司Spartan II FPGA器件库中没有现成的宏模块，就需要自己生成BlockRAM模块，具有较高的灵活度。利用Xilinx公司的配套软件ISE Foundation和ISE WebPACK中都带有的CoreGenerator程序包，可以很方便地建立用户所需的模块。只需要输入BlockRAM模块的名称、BlockRAM的类型(如单口还是双口)、地址线和数据线的宽度，就可以生成用户希望得到的结构。一般来说，生成的结构会自动加载到当前的项目中，从而可以像器件库中的元件一样调用。
非对称同步FIFO的结构
下面以Win
(1) 由于写数据与读数据总线宽度不同，所以在设计双口RAM时把双口RAM设计成写口RAM和读口RAM两个部分。例如FIFO写口RAM部分为512×8，读口RAM部分为256×16，这样通过数据存储格式的改变达到写数据与读数据总线宽度的转换。
(2) 由于读数据时钟频率是写数据时钟频率的两倍，因此可利用FPGA中的DLL产生二倍频时钟信号来提高写数据的时钟频率，使读数据和写数据的时钟频率相等。二倍频时钟信号提供给写口RAM、写地址产生模块，而源时钟信号(一倍频)提供给读口RAM、读地址产生模块及空/满标志产生模块，从而解决了内部数据处理同步的问题。
(3) 由于双口RAM中存在两种数据存储格式，因此地址位数不同，读地址和写地址不能一一对应，例如FIFO写口RAM部分为512×8，读口RAM部分为256×16，因此写地址要求9位，而读地址要求8位，对于同一数据的写地址与读地址，写地址的高8位与读地址的8位相等，它们的区别仅在写地址的最低一位。因此可把写地址的高8位与读地址一同输入空/满标志产生模块，从而得到正确的full和empty信号。下面仅给出读写地址产生逻辑及空/满标志产生逻辑的
VHDL设计程序：
fifo_write : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
wr_addr <= 0; //写地址初始化
else
if (wr_en = '1' and full = '0')then
wr_data_buf (wr_addr) <= To_Bitvector(wr_data (7 downto 0));
//写数据，其中wr_data_buf定义为基于BlockRAM的存储矩阵
wr_addr <= (wr_addr + 1) mod 8;// 写地址增加1
end if;
end if;
end process;
fifo_read : process
begin
wait until rising_edge(clk);
if rst = '1' then
rd_addr <= 0;
//读地址初始化
else
if (rd_en = '1' and empty = '0') then
rd_data (15 downto 0) <= wr_data_buf (rd_addr);//读数据
rd_addr <= (rd_addr - 1) mod 16;// 读地址减1
end if;
end if;
end process;
wr_addr1 <= wr_addr / 2 ;//取写地址的高8bit
Offset <= (wr_addr1 - rd_addr) when (wr_addr 1> rd_addr)
else (m - (rd_addr - wr_addr1)) when (rd_addr > wr_addr1) ;// m定义为fifo的深度
else 0;
empty<= '1' when (Offset = 0) else '0';
full<= '1' when (Offset = (m-1)) else '0';
方案实现
文中用VHDL语言描述了硬件结构，在Xilinx 公司Spartan II FPGA XC2S100-TQ144中通过了Xilinx ISE WebPACK的综合及布局布线。FPGA的规模是10万门，速度可达到56.344MHz。
有几点需要说明的是：(1) VHDL程序设计采用多层次的结构设计方法，把系统分解成若干个模块，其中模块又由若干个元件构成。设计从元件开始，其中设计中用到的CLKDLL、IBUFG、IBUF、BUFG、OBUF等元件位于Xilinx公司 FPGA专用器件库UNISIM中，在编写VHDL程序时，用COMPONENT和PORT MAP指令调用专门的模块，就可以在程序中导入所需元件。(2) 作为非对称同步FIFO，用波形图的方式进行仿真不太合适，可用VHDL建立测试平台的方式进行仿真，测试平台中把非对称同步FIFO主程序作为一个元件调用，主要包括初始化、时钟产生块、读写数据等内容，输入激励由测试平台产生。(3)由于Spartan II FPGA中BlockRAM单位容量和总体容量有限，如XC2S100中BlockRAM的单位容量为4Kbit，共10个, 则总体容量为40Kbit。设计时可以用多个BlockRAM组成不同深度和宽度的存储单元，如果容量还是不够则需要选用其它型号的FPGA。
结语
采用本文的设计思路，同样可以设计出Win>Wout情形下的非对称同步FIFO，而且该方案具有很强的灵活性并易于实现。如通信只需单向进行，则只用一片FPGA即可；双向通信时需用两片FPGA。经过实际验证，该方案可以满足一般需要。
（编辑 keil）
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