单时钟FIFO详解与异步双钟FIFO设计入门

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本文档深入探讨了FIFO（First-In-First-Out，先进先出）接口在FPGA设计中的重要性。FIFO作为时钟域转换的常见工具，特别适用于双时钟系统设计，允许数据在不同时钟周期内流畅传输。然而，作者首先从一个单时钟FIFO的特例开始讲解，尽管在实际应用中这种结构相对罕见，但它为理解复杂设计提供了基础。单时钟FIFO的设计通常基于RAM存储器，包含独立的读和写端口，以及两个计数器——读指针和写指针。它们分别管理数据的读取和写入位置，每次操作（读或写）都会相应地更新指针。状态模块负责监控FIFO的状态，提供空闲（empty）和满（full）信号，以便外部电路知道何时可以安全地进行下一次读取或写入，以避免数据丢失或溢出。本文将逐步深入，后续会讲解更为普遍的双时钟结构，包括不同的实现策略，如双钟结构1、2和3，以及脉冲模式FIFO。这些结构的分析有助于设计者根据具体应用场景选择合适的FIFO架构，考虑的因素包括数据宽度、性能需求以及同步和异步工作的区别。此外，本文强调了数据宽度的重要性，它在决定FIFO的容量和性能时起到关键作用。通过理解这些基本概念和技术，读者能够更好地设计和实现FPGA中的FIFO，确保系统的可靠性和效率。对于任何从事ASIC设计或FPGA开发的人来说，掌握FIFO的原理和设计技巧都是不可或缺的知识。

况下就开始了（读操作逻辑不需要等待 FIFO 变满），因此这些条件不得不修改

来存储读指针和写指针的每一个值。

有这样一个想法，那就是我们可以将存储器组织成一个环形列表。因此，如

果写指针与读指针差值大于 1 或更多，就进行读操作，FIFO 为空，这种工作方

式对于用无符号（n-bit）结构来描述的临界状态非常适合。同样的，如果读指针

与写指针的差值大于 1，就进行写操作，直到 FIFO 为满。

这将带来如下的条件：

写操作无条件的清除空标志。

write_pointer=(read_pointer+1)，读操作置空。

读操作无条件的清除满标志，

read_pointer= (write_pointer+1)，写操作置满。

注意，读操作和写操作同时都在使其指针增加，但不改变空标志和满标志的

状态。在空或满的临界状态同时读操作和写操作都是不允许的。

综上所述，我们现在能够定义 FIFO 的 status 模块，这里提供了用 VHDL 编

写的代码，由于是同步的，很容易转换成 Verilog HDL 代码。

library IEEE, STD;

use IEEE.std_logic_1164.all;

use IEEE.std_logic_arith.all;

use IEEE.std_logic_unsigned.all;

entity status is

port (reset : in std_logic;

clk : in std_logic;

fifo_wr : in std_logic;

fifo_rd : in std_logic;

valid_rd : out std_logic;

valid_wr : out std_logic;

rd_ptr : out std_logic_vector(4 downto 0);

wr_ptr : out std_logic_vector(4 downto 0);

empty : out std_logic;

full : out std_logic

);

end status;

architecture status_A of status is

signal rd_ptr_s : std_logic_vector(4 downto 0);

signal wr_ptr_s : std_logic_vector(4 downto 0);

signal valid_rd_s : std_logic;

signal valid_wr_s : std_logic;

begin

empty_P : process(clk, reset)

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