異步FIFO的VHDL設(shè)計(jì)
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關(guān)鍵詞：FIFO
雙口RAM 格雷碼 VHDL
FIFO（先進(jìn)先出隊(duì)列）是一種在電子系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的器件，通常用于數(shù)據(jù)的緩存和用于容納異步信號的頻率或相位的差異。FIFO的實(shí)現(xiàn)通常是利用雙口RAM和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實(shí)現(xiàn)的。FIFO的接口信號包括異步的寫時(shí)鐘（wr_clk）和讀時(shí)鐘（rd_clk）、與寫時(shí)鐘同步的寫有效（wren）和寫數(shù)據(jù)（wr_data）、與讀時(shí)鐘同步的讀有效（rden）和讀數(shù)據(jù)（rd_data）。為了實(shí)現(xiàn)正確的讀寫和避免FIFO的上溢或下溢，通常還應(yīng)該給出與讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘同步的FIFO的空標(biāo)志（empty）和滿標(biāo)志（full）以禁止讀寫操作。
1 異步FIFO功能描述 
圖1給出了FIFO的接口信號和內(nèi)部模塊圖。
由圖1可以看出，寫地址產(chǎn)生模塊根據(jù)寫時(shí)鐘和寫有效信號產(chǎn)生遞增的寫地睛，讀地址產(chǎn)生模塊根據(jù)讀時(shí)鐘和讀有效信號產(chǎn)生遞增的讀地址。FIFO的操作如下：在寫時(shí)鐘wr_clk的升沿，當(dāng)wren有效時(shí)，將wr_data寫入雙口RAM中寫地址對應(yīng)的位置中；始終將讀地址對應(yīng)的雙口RAM中的數(shù)據(jù)輸出到讀數(shù)據(jù)總線上。這樣就實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)先出的功能。
寫地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址關(guān)系產(chǎn)生FIFO的滿標(biāo)志。當(dāng)wren有效時(shí)，若寫地址+2=讀地址時(shí)，full為1；當(dāng)wren無效時(shí)，若寫地址+1=讀地址時(shí)，full為1。讀地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址的差產(chǎn)生FIFO的空標(biāo)志。當(dāng)rden有效時(shí)，若寫地址-1=讀地址時(shí)，empty為1；當(dāng)rden無效時(shí)，若寫地址=讀地址時(shí)，empty為1。按照以上方式產(chǎn)生標(biāo)志信號是為了提前一個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生對應(yīng)的標(biāo)志信號。
由于空標(biāo)志和滿標(biāo)志控制了FIFO的操作，因此標(biāo)志錯(cuò)誤會引起操作的錯(cuò)誤。如上所述，標(biāo)志的產(chǎn)生是通過對讀寫地址的比較產(chǎn)生的，當(dāng)讀寫時(shí)鐘完全異步時(shí)，對讀寫地址進(jìn)行比較時(shí)，可能得出錯(cuò)誤的結(jié)果。例如，在讀地址變化過程中，由于讀地址的各位變化并不同步，計(jì)算讀寫地址的差值，可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的差值，導(dǎo)致產(chǎn)生錯(cuò)誤的滿標(biāo)志信號。若將未滿標(biāo)志置為滿標(biāo)志時(shí)，可能降低了應(yīng)用的性能，降低寫數(shù)據(jù)速率；而將滿置標(biāo)志置為未滿時(shí)，執(zhí)行一次寫操作，則可能產(chǎn)生溢出錯(cuò)誤，這對于實(shí)際應(yīng)用來說是絕對應(yīng)該避免的。空標(biāo)志信號的產(chǎn)生也可能產(chǎn)生類似的錯(cuò)誤。
2 異步FIFO的改進(jìn)設(shè)計(jì)
從以上分析中可以看出，異步FIFO之所以會發(fā)生錯(cuò)誤是國為在地址變化時(shí)，由于多位地址各位變化時(shí)間不同，異步時(shí)鐘對其進(jìn)行采樣時(shí)數(shù)值可能為不同于地址變化喪后數(shù)值的其他值，異步產(chǎn)生錯(cuò)誤的空標(biāo)志和滿標(biāo)志，以致于產(chǎn)生FIFO的操作錯(cuò)誤。
格雷碼是一種在相鄰計(jì)數(shù)值之間只有一位發(fā)生變化的編碼方式?？梢钥闯?，若讀寫地址采用格雷碼編碼方式，就可以解決上面的問題。
為了應(yīng)用的靈活，還增加了兩個(gè)標(biāo)志信號，將滿（almosf_full）標(biāo)志和空（almost_empty）標(biāo)志分別定義如下：當(dāng)寫地址與讀地址的距離小于某個(gè)預(yù)先定義數(shù)值時(shí)，almost_full為1；當(dāng)讀地址與寫地址的距離小于這個(gè)預(yù)先定義的數(shù)值時(shí)，almost_empty為1。
3 異步FIFO的VHDL實(shí)現(xiàn)
硬件描述語言VHDL（Very-high speed IC
Hardware Description Language）是一種應(yīng)用于電路設(shè)計(jì)的高層次描述語言，具有行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次描述，并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關(guān)等優(yōu)點(diǎn)。目前VHDL語言已經(jīng)得到多種EDA工具的支持，綜合工具得到迅速發(fā)展，VHDL語言的行為級綜合也已經(jīng)得到支持和實(shí)現(xiàn)，因此利用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)可以節(jié)約開發(fā)成本和周期。
首先給出格雷碼和普通自然碼之間的轉(zhuǎn)換模塊的VHDL程序。
程序1：自然碼碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換程序
entity norm_to_gery is
generic(width:integer:=8);
port(
din:in std_logic_vector(width-1 downto 0);
dout:out std_logic_vector(width-1 downto 0);
end norm_to_grey;
architecture norm_to_grey of norm_to_grey is
begin
dout=din xor('0' din(width-1 downto
1));
end norm_to_grey;
程序2：格雷碼到自然碼的轉(zhuǎn)換程序
process(din)
variable tempd:std_logic;
begin
for i in width-1 downto 0 loop tempd:='0';
for j in width-1 downto i loop tempd:=tempd
xor din(j);
end loop;
dout(i)=tempd;
end loop;
end process;
在給出異步FIFO的VHDL程序之前，先給出一些內(nèi)部信號的解釋：
wadd ——自然碼寫地址
wadd_grey ——格雷碼寫地址
wr_radd_grey ——寫時(shí)鐘采樣的格雷碼讀地址
wr_radd ——寫時(shí)鐘采樣的自然碼讀地址
almost_length ——產(chǎn)生將滿和將空標(biāo)志的予定義讀寫地址差值
程序3：寫地址產(chǎn)生模塊，此程序同時(shí)產(chǎn)生寫地址的自然碼和格雷碼
waddp=wadd+1;
u1:norm_to_grey
port map(waddp,wadd_grey_temp);
wadd_process:process(clr,wr_clk)
begin
if clr='0'then
wadd=(others=>'0');
wadd_grey=(others=>'0');
elsif wr_clk'event and wr_clk='1'then
if wren='1'then
wadd=waddp;
wadd_grey=wadd_grey_temp;
end if;
end if;
end process;
程序4：滿標(biāo)志和滿標(biāo)志產(chǎn)生模塊，以8位地址為例。
u2:grey_to_norm
port map(wr_radd_grey,wr_radd_temp);
process(clr,wr_clk～
begin
if clr='0'then
wr_radd_grey=(others=>'0');
wr_radd=(Others=>'0')
elsif wr_clk'event and wr_clk='1'then
wr_radd_grey=radd_grey;
wr_radd=wr_radd_temp;
end if;
end process;
wr_compare=wadd-wr_radd;
full_process:process(clr,wr_clk)
begin
if clr='0'then
full='0'；
elsif wr_clk'event and wr_clk='1'then
if(wren='1')then
if wr_compare=11111110then
full='1';
else full='0';
end if;
else
if wr_compare=11111111then
full='1';
else full='0';
end if;
end if;
end if;
end process;
almost_full_process:process(clr,wr_clk)
begin
if clr='0' then
almost_full='0';
elsif wr_clk'event and wr_clk='1'then
if(wren='1')then
if wr_compare>(11111110-almost_length)then
almost_full='1';
else almost_full='0';
end if;
else
if wr_compare>(11111111-almost_length)then
almost_full='1';
else almost_full='0';
end if;
end if;
end if;
end process;
讀地址的產(chǎn)生模塊和空標(biāo)志及空標(biāo)志的產(chǎn)生模塊與寫地址模塊類似。
4 結(jié)論
為了解決FIFO的異步操作問題，本文提出了一種利用格雷碼對地址進(jìn)行編碼的異步FIFO的設(shè)計(jì)，并采用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，利用Altera公司FLEX10KE系列FPGA得以實(shí)現(xiàn)，該電路軟件仿真和硬件實(shí)現(xiàn)已經(jīng)通過驗(yàn)證，并被應(yīng)用到各種電路中。實(shí)踐證明它可以解決由于異步產(chǎn)生的錯(cuò)誤，同時(shí)增加了應(yīng)用靈活性。
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