上一节我们实现RAM的相关知识，也对比了RAM和FIFO的区别；FIFO：先进先出数据缓冲器，也是一个端口只读，另一个端口只写。但是FIFO与伪双口RAM的不同，FIFO为先入先出，没有地址线，不能对存储单元寻址；而伪双口RAM两个端口都有地址线，可以对存储单元寻址。但是FIFO内部的存储单元主要是由双口RAM（异步读写来实现的），在verilog 实现之RAM中已经讲过各种各样的RAM的实现。此时就要用双端口的RAＭ来实现FIFO。
一、实现双口RAM（异步读写）
1 `timescale 1ns / 1ps 2 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 3 // Company: 4 // Engineer: 5 // 6 // Create Date: 2020/06/25 20:46:14 7 // Design Name: 8 // Module Name: synram_double_port 9 // Project Name: 10 // Target Devices: 11 // Tool Versions: 12 // Description: 13 // 14 // Dependencies: 15 // 16 // Revision: 17 // Revision 0.01 - File Created 18 // Additional Comments: 19 // 20 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 21 22 23 module synram_double_port #( 24 parameter DATA_WIDTH = 8, 25 parameter ADDR_WIDTH = 8, 26 parameter RAM_DEPTH = 1 << ADDR_WIDTH 27 )( 28 input [ADDR_WIDTH - 1 : 0] address_0 , // address_0 Input 29 inout [DATA_WIDTH-1 : 0] data_0 , // data_0 bi-directional 30 input cs_0 , // Chip Select 31 input we_0 , // Write Enable/Read Enable 32 input oe_0 , // Output Enable 33 input [ADDR_WIDTH - 1 : 0] address_1 , // address_1 Input 34 inout [DATA_WIDTH-1 : 0] data_1 , // data_1 bi-directional 35 input cs_1 , // Chip Select 36 input we_1 , // Write Enable/Read Enable 37 input oe_1 // Output Enable 38 ); 39 40 //--------------Internal variables---------------- 41 reg [DATA_WIDTH-1:0] data_0_out ; 42 reg [DATA_WIDTH-1:0] data_1_out ; 43 reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [0:RAM_DEPTH-1]; 44 45 46 //initialization 47 48 // synopsys_translate_off 49 integer i; 50 initial begin 51 for(i=0; i < RAM_DEPTH; i = i + 1) begin 52 mem[i] = 8'h00; 53 end 54 end 55 // synopsys_translate_on 56 57 58 //--------------Code Starts Here------------------ 59 // Memory Write Block 60 // Write Operation : When we_0 = 1, cs_0 = 1 61 always @ (address_0 or cs_0 or we_0 or data_0 62 or address_1 or cs_1 or we_1 or data_1) 63 begin : MEM_WRITE 64 if ( cs_0 && we_0 ) begin 65 mem[address_0] <= data_0; 66 end 67 else if (cs_1 && we_1) begin 68 mem[address_1] <= data_1; 69 end 70 end 71 72 // Tri-State Buffer control 73 // output : When we_0 = 0, oe_0 = 1, cs_0 = 1 74 assign data_0 = (cs_0 && oe_0 && !we_0) ? data_0_out : 8'bz; 75 76 // Memory Read Block 77 // Read Operation : When we_0 = 0, oe_0 = 1, cs_0 = 1 78 always @ (address_0 or cs_0 or we_1 or oe_0) 79 begin : MEM_READ_0 80 if (cs_0 && !we_0 && oe_0) begin 81 data_0_out <= mem[address_0]; 82 end else begin 83 data_0_out <= 0; 84 end 85 end 86 87 //Second Port of RAM 88 // Tri-State Buffer control 89 // output : When we_0 = 0, oe_0 = 1, cs_0 = 1 90 assign data_1 = (cs_1 && oe_1 && !we_1) ? data_1_out : 8'bz; 91 // Memory Read Block 1 92 // Read Operation : When we_1 = 0, oe_1 = 1, cs_1 = 1 93 always @ (address_1 or cs_1 or we_1 or oe_1) 94 begin : MEM_READ_1 95 if (cs_1 && !we_1 && oe_1) begin 96 data_1_out <= mem[address_1]; 97 end else begin 98 data_1_out <= 0; 99 end 100 end 101 102 endmodule
二、对RAM端口的实例化
1 synram_double_port #( 2 .DATA_WIDTH(DATA_WIDTH), 3 .ADDR_WIDTH(ADDR_WIDTH), 4 .RAM_DEPTH(RAM_DEPTH) 5 ) inst_synram_double_port ( 6 .address_0 (wr_pointer), 7 .data_0 (data_in), 8 .cs_0 (wr_cs), 9 .we_0 (wr_en), 10 .oe_0 (1'b0), 11 .address_1 (rd_pointer), 12 .data_1 (data_ram), 13 .cs_1 (rd_cs), 14 .we_1 (1'b0), 15 .oe_1 (rd_en) 16 );
三、同步FIFO的实现
同步FIFO的框图：
同步FIFO读写原理：通常，FIFO是使用旋转指针实现的。 我们可以将FIFO的写入和读取指针称为数据区的头和尾。 最初，FIFO的读写指针将指向相同的位置，吸入所示：这是一个解释FIFO如何使用内存的示例。 这是长度为8的fifo，WP和RP是写指针和读指针指向的位置。 图中的阴影区域填充了数据。使用stutus_cnt记录FIFO RAM中的数据个数，等于0时，给出empty信号，等于RAM_DEPTH时，给出full信号。stutus_cnt写而未满时增加1，读而未空时减1。同时发生读写操作时，stutus_cnt。读写指针宽度与地址宽度相当，地址增加而溢出后，自动变成0。
从同步FIFO的框图中。我们可以推理出同步FIFO的管脚图，同时这里所说的fifo 没有了地址，是因为用指针代替了地址。剩下的就是看图说话。
四、实现的代码
RTL：
1 `timescale 1ns / 1ps 2 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 3 // Company: 4 // Engineer: 5 // 6 // Create Date: 2020/06/25 20:42:22 7 // Design Name: 8 // Module Name: syn_fifo 9 // Project Name: 10 // Target Devices: 11 // Tool Versions: 12 // Description: 13 // 14 // Dependencies: 15 // 16 // Revision: 17 // Revision 0.01 - File Created 18 // Additional Comments: 19 // 20 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 21 22 module syn_fifo #( 23 parameter DATA_WIDTH = 8, 24 parameter ADDR_WIDTH = 8, 25 parameter RAM_DEPTH = (1 << ADDR_WIDTH) 26 ) 27 ( 28 input wire clk , 29 input wire rst , 30 //interfaces 31 input wire wr_cs ,//å†?--片é?‰ä¿¡å? 32 input wire rd_cs ,//è¯?--片é?‰ä¿¡å? 33 input wire [DATA_WIDTH-1:0] data_in ,//è¾“å…¥æ•°æ® 34 input wire rd_en ,//读是èƒ? 35 input wire wr_en ,//写使èƒ? 36 output wire [DATA_WIDTH-1:0] data_out ,//æ•°æ®è¾“出 37 output wire empty ,//ç©ºæ ‡å¿? 38 output wire full 39 40 ); 41 42 //========================================================================\ 43 // ################ Define Parameter and Internal signals ################ 44 //========================================================================/ 45 reg [ADDR_WIDTH-1:0] wr_pointer ;//写指é’? 46 reg [ADDR_WIDTH-1:0] rd_pointer ; 47 reg [ADDR_WIDTH:0] status_cnt ;//状æ?? 48 reg [DATA_WIDTH-1:0] data_out_r ;//æ•°æ®è®¡æ•° 49 wire [DATA_WIDTH-1:0] data_ram ; 50 51 //============================================================================= 52 //+++++++++++++++++++++++++ Main Code +++++++++++++++++++++++++++++++ 53 //============================================================================= 54 55 assign full = (status_cnt==RAM_DEPTH)?1'b1 :1'b0 ; 56 assign empty = (status_cnt==0)?1'b1:1'b0; 57 58 //wr_pointer 59 always @(posedge clk or posedge rst) begin 60 if (!rst) begin 61 wr_pointer <= 0 ; 62 end 63 else if (wr_cs && wr_en) begin 64 wr_pointer <= wr_pointer + 1; 65 end 66 end 67 68 //rd_pointer 69 always @(posedge clk or posedge rst) begin 70 if (!rst) begin 71 rd_pointer <= 0 ; 72 end 73 else if (rd_cs && rd_en) begin 74 rd_pointer <= rd_pointer + 1'b1 ; 75 end 76 end 77 //data_out_r 78 79 always @(posedge clk or posedge rst) begin 80 if (!rst) begin 81 data_out_r <= 0 ; 82 83 end 84 else if (rd_cs && rd_en) begin 85 data_out_r <= data_ram ; 86 end 87 end 88 assign data_out = data_out_r ; 89 90 //status_cnt 91 always @(posedge clk or posedge rst) begin 92 if (!rst) begin 93 94 status_cnt <= 0; //åªè¯»ä¸å†™ 95 end 96 else if ((rd_cs && rd_en) && !(wr_cs && wr_en) && (status_cnt!=0)) begin 97 status_cnt <= status_cnt - 1'b1 ;//åªè¯»ä¸å†™ 98 end 99 else if(!(rd_cs && rd_en) && (wr_cs && wr_en) && (status_cnt!=RAM_DEPTH))begin 100 status_cnt <= status_cnt + 1'b1 ;//åªå†™ä¸è¯» 101 end 102 end 103 104 105 106 synram_double_port #( 107 .DATA_WIDTH(DATA_WIDTH), 108 .ADDR_WIDTH(ADDR_WIDTH), 109 .RAM_DEPTH(RAM_DEPTH) 110 ) inst_synram_double_port ( 111 .address_0 (wr_pointer), 112 .data_0 (data_in), 113 .cs_0 (wr_cs), 114 .we_0 (wr_en), 115 .oe_0 (1'b0), 116 .address_1 (rd_pointer), 117 .data_1 (data_ram), 118 .cs_1 (rd_cs), 119 .we_1 (1'b0), 120 .oe_1 (rd_en) 121 ); 122 123 endmodule
TB：
1 `timescale 1ns / 1ps 2 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 3 // Company: 4 // Engineer: 5 // 6 // Create Date: 2020/06/25 23:12:58 7 // Design Name: 8 // Module Name: syn_fifo_tb 9 // Project Name: 10 // Target Devices: 11 // Tool Versions: 12 // Description: 13 // 14 // Dependencies: 15 // 16 // Revision: 17 // Revision 0.01 - File Created 18 // Additional Comments: 19 // 20 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 21 22 23 24 module syn_fifo_tb(); 25 26 parameter DATA_WIDTH = 8; 27 parameter ADDR_WIDTH = 8; 28 parameter RAM_DEPTH = (1 << ADDR_WIDTH); 29 30 reg clk ; 31 reg rst ; 32 reg wr_cs ; 33 reg rd_cs ; 34 reg rd_en ; 35 reg wr_en ; 36 reg [DATA_WIDTH-1:0] data_in ; 37 wire full ; 38 wire empty ; 39 wire [DATA_WIDTH-1:0] data_out ; 40 41 42 initial begin 43 clk = 0; 44 forever 45 #2 clk = ~clk; 46 47 end 48 49 integer i=0; 50 initial begin 51 52 rst = 0; 53 wr_cs = 0; 54 rd_cs = 0; 55 wr_en = 0; 56 rd_en = 0; 57 data_in = 0; 58 59 #8 60 rst = 1; 61 //write 62 wr_cs = 1; 63 wr_en = 1; 64 65 for(i = 0; i < 256; i = i + 1) begin 66 @(negedge clk) begin 67 data_in = data_in + 1; 68 end 69 70 end 71 72 //read 73 74 //#8 75 wr_cs = 0; 76 wr_en = 0; 77 rd_cs = 1; 78 rd_en = 1; 79 80 81 82 83 end 84 85 syn_fifo #( 86 .DATA_WIDTH(DATA_WIDTH), 87 .ADDR_WIDTH(ADDR_WIDTH), 88 .RAM_DEPTH(RAM_DEPTH) 89 ) inst_syn_fifo ( 90 .clk (clk), 91 .rst (rst), 92 .wr_cs (wr_cs), 93 .rd_cs (rd_cs), 94 .data_in (data_in), 95 .rd_en (rd_en), 96 .wr_en (wr_en), 97 .data_out (data_out), 98 .empty (empty), 99 .full (full) 100 ); 101 102 103 104 endmodule
