摘要:介紹了FIFO的基本概念、設(shè)計方法和步驟,采用了一種新穎的讀、寫地址寄存器和雙體存儲器的交替讀、寫機制,實現(xiàn)了FIFO的基本功能,同時使本32X8 FIFO擁有可同時讀、寫的能力,完全基于Verilog HDL語言實現(xiàn)了電路功能并應(yīng)用Synopsys公司的DesignCompiler和VCS對其進行綜合、仿真。

對基于單體存儲器的FIFO,作為一種數(shù)據(jù)緩沖器,其數(shù)據(jù)存放結(jié)構(gòu)和RAM是一致的,只是存取方式有所不同。因RAM中的各存儲單元可被隨機讀寫,故FIFO的隊首位置及隊列長度均可浮動。為此,需要用兩個地址寄存器,分別存儲讀地址(即隊首元素地址)和寫地址(即隊尾元素地址加1)。在讀寫過程中FIFO所存儲的信息并不移動,而是通過改變讀地址或?qū)懙刂穪碇甘娟犑钻犖病?/p>

本32X8 FIFO的設(shè)計,采用了雙體存儲器的交替讀寫機制,使得在對其中一個存儲器寫操作的同時可以對另一個存儲器進行讀操作;對其中一個存儲器讀操作的同時可以對另一個存儲器進行寫操作。實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)緩沖,速度比單體存儲器的FIFO提高了一倍。

1　指針以及滿空信號的產(chǎn)生

空/滿標(biāo)志的產(chǎn)生是FIFO的核心部分。如何正確設(shè)計此部分的邏輯,直接影響到FIFO的性能。

對于同步FIFO,讀寫指針都指向一個內(nèi)存的初始位置,每進行一次讀寫操作,相應(yīng)的指針就遞增一次,指向下一個內(nèi)存位置。當(dāng)指針移動到了內(nèi)存的最后一個位置時,它又重新跳回初始位置。在FIFO非滿或非空的情況下,這個過程將隨著讀寫控制信號的變化一直進行下去。如果FIFO處于空的狀態(tài),下一個讀動作將會導(dǎo)致向下溢出(underflow),一個無效的數(shù)據(jù)被讀出;同樣,對于一個滿了的FIFO,進行寫動作將會導(dǎo)致向上溢出(overflow),一個有用的數(shù)據(jù)被新寫入的數(shù)據(jù)覆蓋。這兩種情況都屬于誤動作,因此需要設(shè)置滿和空兩個信號,對滿信號置位表示FIFO處于滿狀態(tài),對滿信號復(fù)位表示FIFO非滿,還有空間可以寫入數(shù)據(jù);對空信號置位表示FIFO處于空狀態(tài),對空信號復(fù)位表示FIFO非空,還有有效的數(shù)據(jù)可以讀出。當(dāng)讀指針和寫指針相等也就是指向同一個內(nèi)存位置的時候,FIFO可能處于滿或空兩種狀態(tài)?？梢酝ㄟ^不同的方法判斷或區(qū)分FIFO究竟是處于滿狀態(tài)還是空狀態(tài),也就是究竟是寫指針從后趕上了讀指針,還是讀指針從后趕上了寫指針。

本文所應(yīng)用的方法是分別將讀、寫地址寄存器擴展一位,將最高位設(shè)置為狀態(tài)位,其余低位作為地址位,指針由地址位以及狀態(tài)位組成。巧妙地應(yīng)用地址位和狀態(tài)位的結(jié)合實現(xiàn)對空、滿標(biāo)志位的控制。當(dāng)讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合的時候,讀寫指針經(jīng)歷了相同次數(shù)的循環(huán)移動,也就是說,FIFO處于空狀態(tài)(圖1(a));如果讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反,寫指針比讀指針多循環(huán)一次,標(biāo)志FIFO處于滿狀態(tài)(圖1(b))。

圖1　FIFO處于的狀態(tài)

2　32X8FIFO系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文介紹的32X8FIFO設(shè)計采用了雙體存儲器(FIFOMemory)結(jié)構(gòu)(如圖2)。每個FIFOMemery中都有一個16X8的RAM,rd-cntr3: 和wr-cntr3: 分別作為讀、寫地址,rd-cntr和wr-cntr分別作為讀、寫狀態(tài)位。對整個系統(tǒng),當(dāng)寫信號(wrN)有效,數(shù)據(jù)將寫入FIFO,且交替寫入這兩個分立的存儲器。當(dāng)讀信號(rdN)有效,數(shù)據(jù)將被讀出FIFO,且交替從這兩個分立的存儲器讀出。對基于單體存儲器的FIFO,在讀操作的同時不能有任何的寫操作,只能在讀操作結(jié)束后再進行寫操作。本文應(yīng)用的交替讀寫機制使得32X8 FIFO具有可以同時讀寫的能力,即對一個存儲器讀操作的同時可以對另一個存儲器寫操作;對一個存儲器寫操作的同時可以對另一個存儲器讀操作。32X8 FIFO Data Path的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。其結(jié)構(gòu)中有兩個分立的存儲器FIFOmem(even)和FIFOmem(odd)。FIFO cntrl模塊控制對這兩個分立存儲器的讀、寫操作。而整個系統(tǒng)的空、滿標(biāo)志位分別由FIFOmem(even)和FIFOmem(odd)中的空、滿標(biāo)志位mem_full_even、mem_empty_even、mem_full_odd和mem_empty_odd來實現(xiàn)。其中rdN和wrN為整個系統(tǒng)的讀寫控制信號,rstN為FIFO復(fù)位信號。同時可以看出32X8 FIFO共有3個周期的延時:輸入寄存器,FIFOMemery和輸出寄存器延時,存取速度快。

圖2　FIFOMemory結(jié)構(gòu)框圖

圖3　32X8FIFODataPath結(jié)構(gòu)框圖

3　32X8FIFO的Verilog HDL實現(xiàn)

硬件描述語言Verilog HDL是一種廣泛應(yīng)用于集成電路設(shè)計的高層次描述語言,適合行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次的設(shè)計和描述,并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關(guān)等優(yōu)點。因此利用Verilog HDL語言進行電路設(shè)計可以節(jié)約開發(fā)成本和周期。

此32X8FIFO各個部分均采用Verilog HDL代碼實現(xiàn)。限于篇幅,下面僅列出FIFOMemery模塊的程序清單。整個

32X8FIFO設(shè)計應(yīng)用全球著名EDA軟件供應(yīng)商Synopsys公司的DesignCompiler進行了邏輯綜合,并應(yīng)用Synopsys公司的仿真軟件VCS做了仿真驗證。(VCS是Synopsys公司的VerilogHDL仿真軟件) FIFO Memery模塊程序清單如下:

module fifo_mem(data,clk,rstN,wrN,rdN,empty,full);

inout [7:0] data;

input clk,rstN,wrN,rdN;

output empty,full;

reg [4:0]  _cntr,rd_cntr;

wire [3:0] add;

ram16X8 ram(.data(data),.addr(addr),.wrN(wrN),.oe(wrN));

always @(posedge clk or negedge rstN)

if(!rstN) wr_cntr<=0;

else if (!wrN) wr_cntr<=wr_cntr+1;

always @ (posedge clk or negedge rstN)

if(!rstN) rd_cntr<=0;

else if(!rdN) rd_cntr<=rd_cntr+1;

assign addr=wrN?rd_cntr [3:0]: wr_cntr [3:0];

assign empty=(wr_cntr [3:0] == rd_cntr [3:0])&&!(wr_cntr[4]^rd_cntr[4]);

assign full=(wr_cntr [3:0] ==rd_cntr [3:0])&&(wr_cntr[4]^rd_cntr[4]);

endmodule

4　結(jié)語

本文通過兩個分立存儲器間的交替讀、寫機制,實現(xiàn)32X8 FIFO的可同時讀、寫功能,提高了數(shù)據(jù)存取的速度,并且提出了新穎的空、滿標(biāo)志位的實現(xiàn)方法。采用Verilog HDL硬件描述語言進行電路設(shè)計,應(yīng)用Synopsys公司的DesignCompiler和VCS進行電路綜合和仿真,電路功能得到驗證。