FPGA廠商提供了豐富的IP核，基礎(chǔ)性IP核都是可以直接免費(fèi)調(diào)用的，比如FIFO、RAM等等。

本文主要介紹FIFO的一些基礎(chǔ)知識(shí)，幫助大家能夠理解FIFO的基礎(chǔ)概念。

一、FIFO介紹

FIFO全稱是First In First Out，即先進(jìn)先出。

FIFO是一個(gè)數(shù)據(jù)緩存隊(duì)列，主要特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)順序?qū)懭?，再按照同樣的順序輸出?shù)據(jù)，即先進(jìn)去的數(shù)據(jù)先被取出來。

1、FIFO的通俗理解

FIFO可以類比一個(gè)水池。

當(dāng)寫通道打開時(shí)，就相當(dāng)于往水池里加水；而當(dāng)讀通道打開時(shí)，就相當(dāng)于從水池中放水。

如果持續(xù)不斷地加水和放水，如果加水速度超過了放水速度，那么水池就會(huì)滿了，這時(shí)FIFO就會(huì)發(fā)生溢出，水會(huì)溢出水池。

相反，如果放水速度快于加水速度，那么水池就會(huì)變空，F(xiàn)IFO就會(huì)出現(xiàn)空的情況。

2、FIFO的分類

根據(jù)FIFO輸入時(shí)鐘的區(qū)別，可以分為同步FIFO和異步FIFO。

同步 FIFO 只有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘端口 clock，所有的輸入輸出信號(hào)都同步于 clock 信號(hào)。

異步FIFO有兩個(gè)時(shí)鐘，寫端口和讀端口分別有獨(dú)立的時(shí)鐘，所有寫相關(guān)的信號(hào)都是屬于寫時(shí)鐘，所有與讀相關(guān)的信號(hào)都屬于讀時(shí)鐘。

2、FIFO IP

FIFO一般不需要自己去寫代碼實(shí)現(xiàn)，F(xiàn)PGA官方軟件都提供了FIFO IP，直接使用即可。

FPGA IP特性：

• 配置選項(xiàng)和控制手段廣泛：提供了豐富的配置選項(xiàng)和控制手段，可以根據(jù)用戶的需求進(jìn)行靈活配置。

• 靈活的接口和支持多種數(shù)據(jù)寬度：接口設(shè)計(jì)靈活，同時(shí)支持多種不同數(shù)據(jù)寬度的操作。

• 支持多種讀寫模式：支持單寫單讀、單寫多讀、多寫單讀、多寫多讀等讀寫模式，可以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

• 多種存儲(chǔ)方式：支持異步、同步等不同的存儲(chǔ)方式，可以根據(jù)需求選擇合適的存儲(chǔ)方式。

• 可配置的參數(shù)：可以配置深度、寬度、讀寫數(shù)據(jù)寬度等參數(shù)，使得用戶可以按需定制FIFO的特性。

二、FIFO的應(yīng)用

FIFO的應(yīng)用非常廣泛，其中同步fifo主要用于處理數(shù)據(jù)緩存，異步fifo主要用于處理跨時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸處理。

常用的應(yīng)用場景如下：

接口數(shù)據(jù)/消息緩沖：FIFO可以用于緩存數(shù)據(jù)或消息，以應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)流量突發(fā)情況，同時(shí)降低或消除背壓的頻率，減小上級(jí)模塊的復(fù)雜度。

接口協(xié)議隔離：在模塊與復(fù)雜的協(xié)議進(jìn)行對(duì)接時(shí)，F(xiàn)IFO可以作為隔離后的用戶接口，降低模塊接口協(xié)議設(shè)計(jì)復(fù)雜度，并實(shí)現(xiàn)協(xié)議接口的IP化，提高系統(tǒng)的復(fù)用性。

跨時(shí)鐘域處理：FIFO可以用于處理異步時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)、消息和總線。通過FIFO，可以實(shí)現(xiàn)簡單、快速、安全的跨時(shí)鐘域處理。

數(shù)據(jù)位寬轉(zhuǎn)換：FIFO可以用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的位寬轉(zhuǎn)換，例如從512位轉(zhuǎn)換為256位。

三、FIFO的重要概念

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1、主要端口

讀寫時(shí)鐘：同步FIFO是指讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘為同一個(gè)時(shí)鐘。異步FIFO讀寫時(shí)鐘是獨(dú)立的兩個(gè)時(shí)鐘。

讀寫使能：讀寫控制的使能

滿信號(hào)：FIFO里面的緩存數(shù)據(jù)數(shù)量達(dá)到了最大深度值

空信號(hào)：FIFO里面的緩存全部被讀空

深度：FIFO所能容納的最大數(shù)據(jù)數(shù)量

2、FIFO的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

FIFO通常采用循環(huán)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，即存儲(chǔ)空間是一個(gè)環(huán)形的緩沖區(qū)。

數(shù)據(jù)寫入時(shí)，從第一個(gè)寫入地址開始，依次向后寫入；數(shù)據(jù)讀取時(shí)，從第一個(gè)讀取地址開始，依次向后讀取。

當(dāng)寫入數(shù)據(jù)量達(dá)到FIFO的深度時(shí)，將不能再寫入數(shù)據(jù)，此時(shí)需要停止寫入操作，等待讀取操作將數(shù)據(jù)讀出，否則將發(fā)生溢出。

同樣，當(dāng)讀取數(shù)據(jù)量達(dá)到FIFO的深度時(shí)，將不能再讀取數(shù)據(jù)，此時(shí)需要停止讀取操作，等待寫入操作將數(shù)據(jù)寫入。

3、FIFO的空滿狀態(tài)

FIFO具有空標(biāo)志和滿標(biāo)志，用于指示FIFO的存儲(chǔ)狀態(tài)。

當(dāng)FIFO空時(shí)，寫入操作將停止，直到FIFO非空；當(dāng)FIFO滿時(shí)，讀取操作將停止，直到FIFO非滿。

空滿狀態(tài)的判斷通常采用比較讀寫指針的位置關(guān)系，例如當(dāng)寫入指針等于讀取指針時(shí)，F(xiàn)IFO為空；當(dāng)寫入指針比讀取指針多一位（達(dá)到FIFO的深度）時(shí)，F(xiàn)IFO為滿。

4、FIFO的讀寫操作

FIFO的讀寫操作遵循先進(jìn)先出的原則。

寫入數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)寫地址將數(shù)據(jù)寫入FIFO的空閑位置；讀取數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)讀地址從FIFO的存儲(chǔ)位置讀取數(shù)據(jù)。

在連續(xù)的讀寫操作中，讀寫指針會(huì)自動(dòng)遞增，以便在下次讀寫時(shí)正確指向FIFO的下一個(gè)位置。

5、FIFO的同步處理

由于FIFO通常涉及不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，因此需要進(jìn)行同步處理。

在異步FIFO中，寫入時(shí)鐘和讀取時(shí)鐘是不同的，需要使用握手協(xié)議進(jìn)行同步。

在同步FIFO中，讀寫時(shí)鐘是同一個(gè)時(shí)鐘，但仍然需要進(jìn)行時(shí)序分析，以保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性

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