Verilog功能模块——标准FIFO转FWFT FIFO

前言

在使用FIFO IP核时，我更喜欢使用FWFT(First Word First Through) FIFO而非标准FIFO，FWFT FIFO的数据会预先加载到dout端口，当empty为低时数据就已经有效了，而rd_en信号是指示此FIFO更新下一个数据，这种FWFT FIFO的读取延时是0。无需关心读延时使得读端口的控制变得非常简单，所以，我自编的一些模块均使用了FWFT FIFO的读端口作为接口。

但是，最近我开始使用国产的FPGA，安路的EG4系列，对应的开发工具TD（TangDanasty）中的FIFO只有Stardard FIFO这一种，并没有提供FWFT FIFO的选项，如果将标准FIFO读端口与以FWFT FIFO读端口为端口的模块连接，原本正常工作的模块逻辑就会出问题。

因此，我设计了一个标准FIFO读端口转FWFT FIFO读端口的模块，名为standardFIFO2FWFTFIFO.v，通过此模块能将Stardard FIFO读端口转为FWFT FIFO读端口，转换后端口的行为与真实的FWFT FIFO读端口完全一致。

一. 模块框图

Verilog功能模块——标准FIFO转FWFT FIFO-1

信号说明：

分类	信号名称	输入/输出	说明
参数	STANDARD_FIFO_READ_LATENCY	–	标准FIFO读延时 0表示就是FWFT FIFO 1(默认)表示在rd_en有效后, 标准FIFO立刻更新数据; 2表示在rd_en有效后, 标准FIFO延迟一个读时钟再更新数据依此类推
	STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH	–	标准FIFO输出数据位宽
FWFT FIFO读端口	fwft_fifo_dout	output	转换后的FWFT FIFO数据输出
	fwft_fifo_empty	output	转换后的FWFT FIFO空信号
	fwft_fifo_rd_en	input	转换后的FWFT FIFO读使能
标准FIFO读端口	standard_fifo_dout	input	标准FIFO数据输出
	standard_fifo_empty	input	标准FIFO空信号
	standard_fifo_rd_en	output	标准FIFO读使能
时钟与复位	clk	input	模块工作时钟，与标准FIFO的读时钟应是同一时钟
	srst	input	复位信号，与标准FIFO的读复位应是同一信号，高电平有效，以保持与Vivado中FIFO默认的复位电平一致

二. 部分代码展示

/*
! 模块功能: 将Standard FIFO的读端口转换为FWFT(First Word Fall Through) FIFO的读端口
!         (在Quartus中, Standard FIFO被称为Noraml FIFO, FWFT FIFO被称为Show-ahead FIFO)
* 思路:
  标准FIFO的读端口要变为FWFT FIFO的读端口, 两者的区别在于:
  Noraml FIFO的dout在empty为低时, 数据还不是新数据, 而是在rd_en有效后再延迟更新
  而FWFT FIFO的dout在empty为低时, 数据就已经是新数据, 在rd_en有效后立即更新下一个数据
1.直连两种FIFO的dout, 通过改变empty信号来指示数据是否有效
2.标准FIFO非空, 马上读数据, 模拟FWFT FIFO的dout行为; FWFT FIFO的rd_en使能, 标准FIFO如果非空则同步使能, 更新下一个数据
3.FWFT的empty信号在数据更新完成后拉低, 在数据更新过程中拉高 或 在读出最后一个数据后拉高
4.在FIFO复位时, 拉高fwft_fifo_empty
~ 使用:
1.READ_LATENCY = 0视为FIFO本身就是FWFT FIFO, 此时信号直连, 无任何操作
2.对于Standard FIFO, READ_LATENCY最小为1, 此时本模块可完全将Standard FIFO的读端口转为FWFT FIFO的读端口, 与真实的FWFT FIFO完全相同
3.对于READ_LATENCY大于等于2的情况, 因为读延迟影响, Standard FIFO的数据在连续读的过程中, 有效数据之间必然存在间隔, 所以, 此时本模块
  无法完全模拟FWFT FIFO, fwft_fifo_empty会间歇性拉高, 无法一直为低, 因为有效数据无法连续更新。
*/

module standardFIFO2FWFTFIFO
#(
  // 1(默认)表示在rd_en有效后, 标准FIFO立刻更新数据; 2表示在rd_en有效后, 标准FIFO延迟一个读时钟再更新数据
  parameter STANDARD_FIFO_READ_LATENCY = 1,
  parameter STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH = 8 // FIFO输出端口数据位宽
)(
  output wire [STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH-1 : 0] fwft_fifo_dout,
  output reg                                   fwft_fifo_empty,
  input  wire                                  fwft_fifo_rd_en,

  input  wire [STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH-1 : 0] standard_fifo_dout,
  input  wire                                  standard_fifo_empty,
  output wire                                  standard_fifo_rd_en,

  input  wire clk, // 此时钟必须也是FIFO的读时钟
  input  wire srst // 读端口同步复位, 高电平有效(与Xilinx FIFO复位电平保持一致)
);

三. 功能仿真

比较下以下情况下的fifo读端口行为与真实的FWFT FIFO是否一致：

情况一：每次写入单个数据

1.非空立即读

2.非空后间隔一段时间再读

情况二：一次写入多个数据

1.非空立即读

2.非空后间隔一段时间再读

testbench如下：

module standardFIFO2FWFTFIFO_tb();

timeunit 1ns;
timeprecision 10ps;

localparam STANDARD_FIFO_DIN_WDITH    = 8;
localparam STANDARD_FIFO_READ_LATENCY = 1;
localparam STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH   = 8;

logic [STANDARD_FIFO_DIN_WDITH-1:0] din;
logic                 wr_en;
logic                 full;

logic fwft_fifo_empty;
logic fwft_fifo_rd_en;

logic true_fwft_fifo_empty;
logic true_fwft_fifo_rd_en;

logic clk;
logic rstn;

standardFIFO2FWFTFIFOTop #(
  .STANDARD_FIFO_DIN_WDITH    (STANDARD_FIFO_DIN_WDITH   ),
  .STANDARD_FIFO_READ_LATENCY (STANDARD_FIFO_READ_LATENCY),
  .STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH   (STANDARD_FIFO_DOUT_WIDTH)
)  standardFIFO2FWFTFIFOTop_inst(.*);


// 生成时钟
localparam CLKT = 2;
initial begin
  clk = 0;
  forever #(CLKT / 2) clk = ~clk;
end


initial begin
  rstn = 0;
  wr_en = 1'b0;
  #(CLKT * 10)  rstn = 1;
  #(CLKT * 10);

  // 一次写入一个数据
  wr_en = 1'b1;
  #(CLKT) wr_en = 1'b0;

  #(CLKT*5)
  // 一次写入一个数据
  wr_en = 1'b1;
  #(CLKT) wr_en = 1'b0;

  #(CLKT*5)
  // 一次写入多个数据
  wr_en = 1'b1;
  #(CLKT*3) wr_en = 1'b0;

  #(CLKT*1)
  // 一次写入单个数据
  wr_en = 1'b1;
  #(CLKT) wr_en = 1'b0;

  #(CLKT * 30) $stop;
end


always_ff @(posedge clk) begin
  if (~rstn)
    din <= 'd0;
  else
    din <= din + 1;
end


localparam CLK_CNT_MAX = 4;
logic [$clog2(CLK_CNT_MAX+1)-1 : 0] clk_cnt;
always_ff @(posedge clk, negedge rstn) begin
  if (~rstn)
    clk_cnt <= '0;
  else if (clk_cnt < CLK_CNT_MAX)
    clk_cnt <= clk_cnt + 1'b1;
  else
    clk_cnt <= '0;
end


assign fwft_fifo_rd_en = ~fwft_fifo_empty && clk_cnt == CLK_CNT_MAX;

assign true_fwft_fifo_rd_en = ~true_fwft_fifo_empty && clk_cnt == CLK_CNT_MAX;


endmodule

仿真波形如下：