FPGA設(shè)計(jì)實(shí)用分享02之XILINX的可參數(shù)化FIFO

一、背景

FIFO是FPGA項(xiàng)目中使用最多的IP核，一個(gè)項(xiàng)目使用幾個(gè)，甚至是幾十個(gè)FIFO都是很正常的。通常情況下，每個(gè)FIFO的參數(shù)，特別是位寬和深度，是不同的。

明德?lián)P(MDY)在2021年承擔(dān)了多個(gè)基于XILINX芯片的研發(fā)項(xiàng)目，包括VPX網(wǎng)絡(luò)透明傳輸項(xiàng)目(芯片為XC7K325T-2FBG900)、某高端測(cè)試儀項(xiàng)目(芯片為XCKU060-FFVA1156)、某網(wǎng)閘設(shè)備項(xiàng)目(芯片為XC7Z030-FBG676)等，另外，明德?lián)P自研了基于XC7K325T-2FBG900和基于XC7K410T-2FBG900芯片的核心板，在XILINX研發(fā)領(lǐng)域擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。

這些項(xiàng)目都必須用到FIFO。如果按照通常做法，每種位寬和深度的IP，都要打開(kāi)FIFO IP核界面、命名(命名不好不好分辨需要的FIFO)、設(shè)置參數(shù)、生成并編譯IP核，工作量可以想象出來(lái)是非常多的。更重要的是隨之而來(lái)的管理問(wèn)題，如何管理這幾十個(gè)不同F(xiàn)IFO，如何檢查FIFO的設(shè)置是否正確，都是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。

對(duì)于我們專門(mén)承接項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)，絕不可忍受如此重復(fù)、枯燥、容易出錯(cuò)的工作。經(jīng)過(guò)精心研究，終于找到了一條實(shí)用的方法：使用XILINX的原語(yǔ)--xpm_fifo_async和xpm_fifo_sync。

XILINX原語(yǔ)xpm_fifo_async和xpm_fifo_sync在FPGA中，可以直接例化使用，并且可以參數(shù)化FIFO的位寬和深度的。即在設(shè)計(jì)時(shí)，不用生成FIFO IP，直接例化就可以使用了。

二、獲得參考代碼

打開(kāi)VIVADO軟件，點(diǎn)擊上圖中的Language Templates，將會(huì)彈出Language Templates窗口，如下圖。

在Language Templates窗口中，依次點(diǎn)擊verilog、Xilinx Parameterized Macros(XPM)、XPM、XPM_FIFO，如上圖。可以看到有三種FIFO，分別是異步的XPM FIFO：xpm_fifo_async、AXI總線的FIFO：xpm_fifo_axis和同步的XMP FIFO：xpm_fifo_sync。

選擇xpm_fifo_async，右邊的Preview窗口，將出現(xiàn)xpm_fifo_async的注釋以及參考代碼。將此部分代碼拷出來(lái)，并將注釋刪除，剩下的是xpm_fifo_async的例化參考。

上圖是對(duì)xpm_fifo_async的參數(shù)例化部分。下面是需要重點(diǎn)關(guān)注并經(jīng)常使用的參數(shù)。

FIFO_WRITE_DEPTH：FIFO的寫(xiě)深度，其實(shí)就是在這里設(shè)置FIFO的深度，注意該值通常是2的N次方，如8、16、32、64等數(shù)。

PROG_EMPTY_THRESH：FIFO的快空的水線。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量小于該水線時(shí)，F(xiàn)IFO的快空信號(hào)將會(huì)變高。

PROG_FULL_THRESH：FIFO的快滿的水線。當(dāng)FIFO存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大于該水線時(shí)，F(xiàn)IFO的快滿信號(hào)將會(huì)變高，表示有效。

READ_DATA_WIDTH：讀數(shù)據(jù)的位寬。

WRITE_DATA_WIDTH：將數(shù)據(jù)的位寬。

RD_DATA_COUNT_WIDHT：讀側(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值的位寬。

WR_DATA_COUNT_WIDTH：寫(xiě)側(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值的位寬。

上圖是對(duì)xpm_fifo_async的接口信號(hào)部分。下面是需要重點(diǎn)關(guān)注并經(jīng)常使用的信號(hào)。

wr_clk：FIFO的寫(xiě)時(shí)鐘

rst：FIFO的復(fù)位信號(hào)，高電平有效。要注意的是，該信號(hào)是屬于寫(xiě)時(shí)鐘域的。

wr_en：FIFO的寫(xiě)使能信號(hào)。

din：FIFO的寫(xiě)數(shù)據(jù)

full：寫(xiě)滿指示信號(hào)，當(dāng)FIFO寫(xiě)滿時(shí)，該信號(hào)變高。

wr_data_count：FIFO存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量指示信號(hào)，用來(lái)指示當(dāng)前FIFO已經(jīng)寫(xiě)入但未讀出的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

rd_clk：FIFO的讀時(shí)鐘。

rd_en：FIFO的讀使能。

dout：FIFO讀出的數(shù)據(jù)。

empty：FIFO的空指示信號(hào)。當(dāng)其為1表示FIFO處于空狀態(tài)，當(dāng)其為0，表示FIFO內(nèi)有數(shù)據(jù)。

三、定義自用的FIFO模塊

從第二步可以看出，xpm_fifo_async是可以參數(shù)化深度和位寬的。但xpm_fifo_async有很多參數(shù)和信號(hào)，并且其中有部分是不使用的。為了使用上的方便，可以自定義自用的FIFO模塊。

例如，明德?lián)P就定義了一個(gè)模塊mdyFifoAsy，該信號(hào)的接口信號(hào)如下圖。可以看出，名稱更加規(guī)范，并且定義常用的信號(hào)，如讀時(shí)鐘rd_clk，寫(xiě)時(shí)鐘wrclk、寫(xiě)使能wrreq等信號(hào)。

明德?lián)P還在模塊mdyFifoAsy定義了一些常用的參數(shù)，分別是FIFO深度參數(shù)：DEPT_W;FIFO位寬的參數(shù)：DATA_W，還有FIFO快滿參數(shù)AL_FUL和快空參數(shù)AL_EMP，如下圖。

接下來(lái)，就是在mdyFifoAsy中例化并使用xpm_fifo_async了。如下圖，就是對(duì)xpm_fifo_async的參數(shù)例化。將DEPT_W傳給FIFO_WRITE_DEPTH，DATA_W傳給READ_DATA_WIDTH等。

下圖是對(duì)xpm_fifo_async的信號(hào)例化。將不用的信號(hào)留空，將dout連到q，din連到data，wr_en連到wrreq等。您可以根據(jù)自己情況來(lái)定制FIFO。

四、應(yīng)用

定制完自己的FIFO后，就可以直接例化使用了。

上圖就是使用了一個(gè)位寬為8，深度為256的FIFO。

上圖就是使用了一個(gè)位寬為18，深度為1024的FIFO。

FIFO是FPGA、芯片設(shè)計(jì)中，最常用的IP核，在存儲(chǔ)控制、算法實(shí)現(xiàn)、接口設(shè)計(jì)中，都少不了FIFO，因此合理并正確使用FIFO的技術(shù)就非常有必要了，明德?lián)P錄制了FIFO的訓(xùn)練視頻，掌握后技術(shù)能力將有大提升。

通過(guò)上面介紹可知，通過(guò)此種方式，再也不用生成FIFO IP核啦，整個(gè)工程大小基本上可以減少一大半。

上面舉的例子是xpm_fifo_async，同步FIFO：xpm_fifo_sync的使用方法是類(lèi)似的。

明德?lián)P(MDY)除了承接項(xiàng)目外，還可為客戶提供FPGA芯片、電源芯片、AD芯片等元器件，可找我們了解。

審核編輯：湯梓紅