一種簡(jiǎn)單的、真實(shí)的基于循環(huán)序列的FIFO緩存設(shè)計(jì)

內(nèi)容

FIFO緩存是介于兩個(gè)子系統(tǒng)之間的彈性存儲(chǔ)器，其概念圖如圖1所示。它有兩個(gè)控制信號(hào)，wr和rd，用于讀操作和寫(xiě)操作。當(dāng)wr被插入時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)被寫(xiě)入緩存，此時(shí)讀操作被忽視。FIFO緩存的head一般情況下總是有效的，因此可在任意時(shí)間被讀取。rd信號(hào)實(shí)際上就像“remove”信號(hào)；當(dāng)其被插入的時(shí)候，F(xiàn)IFO緩存的第一個(gè)項(xiàng)（即head）被移除，下一個(gè)項(xiàng)變?yōu)榭捎庙?xiàng)。

圖1 FIFO緩存的概念框圖

在許多應(yīng)用中，F(xiàn)IFO緩存是一種臨界組件，其實(shí)現(xiàn)的優(yōu)化相當(dāng)復(fù)雜。在本節(jié)中，我們介紹一種簡(jiǎn)單的、真實(shí)的基于循環(huán)序列設(shè)計(jì)的FIFO緩存。更有效的、基于指定器件實(shí)現(xiàn)的FIFO緩存可在Altera或Xilinx的相關(guān)手冊(cè)中找到。

基于循環(huán)隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)

一種實(shí)現(xiàn)FIFO緩存的方法是給寄存器文件添加一個(gè)控制電路。寄存器文件通過(guò)兩個(gè)指針像循環(huán)隊(duì)列一樣來(lái)排列寄存器。寫(xiě)指針（write poniter）指向隊(duì)列的頭（head）；讀指針（read poniter）指向隊(duì)列的尾（tail）。每次讀操作或?qū)懖僮鳎羔樁紩?huì)前進(jìn)一個(gè)位置。8-字循環(huán)隊(duì)列的操作如圖2所示。

圖2 基于循環(huán)隊(duì)列的FIFO緩存

FIFO緩存通常包括兩個(gè)標(biāo)志信號(hào)，full和empty，相應(yīng)地來(lái)指示FIFO滿（即不可寫(xiě)）或FIFO空（即不可讀）。這兩種情況發(fā)生在讀指針和寫(xiě)指針相等的時(shí)候，如圖2（a）、（f）和（i）所示的情況。控制器最難的設(shè)計(jì)任務(wù)是獲取一種分辨這兩種情形的機(jī)制。一種方案是使用觸發(fā)器來(lái)跟蹤empty和full標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)被初始化時(shí)，觸發(fā)器被設(shè)置為1和0；然后在每一個(gè)時(shí)鐘周期根據(jù)wr和rd的值來(lái)修改。

代碼 FIFO緩存

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module?fifo
#(
??parameter?B=8, // number of bits in a word
????????????W=3? // number of address bits
)
(
??// global clock and aysn reset
??input?clk,
??input?rst_n,
??// fifo interface
??//? fifo control signnal
??input?rd,
??input?wr,
??//? fifo status signal
??output?empty,
??output?full,
??// fifo data bus
??input?[B-1:0] w_data,
??output?[B-1:0] r_data
);
// signal declaration
reg?[B-1:0] array_reg [2**W-1:0];? // register array
reg?[W-1:0] w_ptr_reg, w_ptr_next, w_ptr_succ;
reg?[W-1:0] r_ptr_reg, r_ptr_next, r_ptr_succ;
reg?full_reg, empty_reg, full_next, empty_next;
wire?wr_en;
// body
// register file write operation
always?@(posedge?clk)
??if?(wr_en)
????array_reg[w_ptr_reg] <= w_data;
// register file read operation
assign?r_data = array_reg[r_ptr_reg];
// write enabled only when FIFO is not full
assign?wr_en = wr & ~full_reg;
// fifo control logic
// register for read and write pointers
always?@(posedge?clk, negedge?rst_n)
??if?(!rst_n)
??begin
????w_ptr_reg <= 0;
????r_ptr_reg <= 0;
????full_reg <= 1'b0;
????empty_reg <= 1'b1;
??end
??else
??begin
????w_ptr_reg <= w_ptr_next;
????r_ptr_reg <= r_ptr_next;
????full_reg <= full_next;
????empty_reg <= empty_next;
??end
// next-state logic for read and write pointers
always?@*
begin
??// successive pointer values
??w_ptr_succ = w_ptr_reg + 1;
??r_ptr_succ = r_ptr_reg + 1;
??// default: keep old values
??w_ptr_next = w_ptr_reg;
??r_ptr_next = r_ptr_reg;
??full_next = full_reg;
??empty_next = empty_reg;
??case?({wr, rd})
????// 2'b00:? no op
????2'b01: // read
??????if?(~empty_reg) // not empty
??????begin
????????r_ptr_next = r_ptr_succ;
????????full_next = 1'b0;
????????if?(r_ptr_succ==w_ptr_reg)
??????????empty_next = 1'b1;
??????end
????2'b10: // write
????if?(~full_reg) // not full
????begin
??????w_ptr_next = w_ptr_succ;
??????empty_next = 1'b0;
??????if?(w_ptr_succ==r_ptr_reg)
????????full_next = 1'b1;
????end
????2'b11: // write and read
????begin
??????w_ptr_next = w_ptr_succ;
??????r_ptr_next = r_ptr_succ;
????end
??endcase
end
// output
assign?full = full_reg;
assign?empty = empty_reg;
endmodule

代碼被分為寄存器文件和FIFO控制器兩部分?？刂破饔蓛蓚€(gè)指針和兩個(gè)標(biāo)志觸發(fā)器組成，它們的次態(tài)邏輯會(huì)檢測(cè)wr和rd信號(hào)，以采取相應(yīng)的動(dòng)作。舉例說(shuō)，在“10”條件下，即暗示只發(fā)生寫(xiě)操作。先檢查標(biāo)志觸發(fā)器，以確保緩存不為滿。如果滿足條件，我們將寫(xiě)指針前進(jìn)一位，并清除空標(biāo)志。再多存儲(chǔ)一個(gè)字（偏移地址為1所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)）可能使得FIFO緩存滿，即新的寫(xiě)指針趕上了讀指針，我們使用w_ptr_succ==r_ptr_reg表達(dá)式來(lái)描述這一情況。

根據(jù)圖2，我寫(xiě)了下面的testbench，其RTL仿真結(jié)果與圖2一致。

代碼 FIFO緩存的testbench

`timescale?1ns/1ns
module?fifo_tb;
localparam T=20; // clock period
// global clock and asyn reset
reg?clk, rst_n;
// fifo interface
reg?rd, wr;
wire?empty, full;
reg?[7:0] w_data;
wire?[7:0] r_data;
// fifo instantiation
fifo #(.B(8), .W(3)) fifo_inst
(
??.clk(clk), .rst_n(rst_n),
??.rd(rd), .wr(wr),
??.empty(empty), .full(full),
??.w_data(w_data), .r_data(r_data)
);
// clcok
always
begin
??clk = 1'b0;
??#(T/2);
??clk = 1'b1;
??#(T/2);
end
// reset
initial
begin
??rst_n = 1'b0;
??#(T/2)
??rst_n = 1'b1;
end
// stimulus body
initial
begin
??// initial input; empty
??rd=0; wr=0; w_data=8'h00;
??@(posedge?rst_n); // wait to deassert rst_n
??@(negedge?clk); // wait for a clock
??// 1 write
??wr=1; w_data=8'h11;
??@(negedge?clk); // wait to assert wr
??wr=0;
??@(negedge?clk); // wait to deassert wr
??// 3 writes
??wr=1;
??repeat(3)
??begin
????w_data=w_data+8'h11;
????@(negedge?clk);
??end
??wr=0;
??@(negedge?clk);
??// 1 read
??rd=1;
??@(negedge?clk); // wait to assert rd
??rd=0;
??@(negedge?clk) // wait to deassert rd
??// 4 writes
??wr=1;
??repeat(4)
??begin
????w_data=w_data+8'h11;
????@(negedge?clk);
??end
??wr=0;
??@(negedge?clk);
??// 1 write; full
??wr=1; w_data=8'hAA;
??@(negedge?clk);
??wr=0;
??@(negedge?clk);
??// 2 reads
??rd=1;
??repeat(2) @(negedge?clk);
??rd=0;
??@(negedge?clk);
??// 5 reads
??rd=1;
??repeat(5) @(negedge?clk);
??rd=0;
??@(negedge?clk);
??// 1 read; empty
??rd=1;
??@(negedge?clk);
??rd=0;
??@(negedge?clk);
??$stop;
end
endmodule