FIFO作為FPGA崗位求職過程中最常被問到的基礎知識點，也是項目中最常被使用到的IP，其意義是非常重要的。本文基于對FIFO Generator的Xilinx官方手冊的閱讀與總結(jié)，匯總主要知識點如下：

類型

FIFO的類型區(qū)分主要根據(jù)FIFO在實現(xiàn)時利用的是芯片中的哪些資源，其分類主要有以下四種：

shift register FIFO：通過寄存器來實現(xiàn)的，這種類型的FIFO最好少用，因為我們都知道FF資源在FPGA是非常珍貴的。

built-in FIFO：這種類型的FIFO只有7系列之后(包括UltraScale)才有。筆者的理解是一種集成的FIFO硬核

Block Ram FIFO：通過塊RAM的資源配置形成的FIFO，其本質(zhì)是Block RAM+一些外設電路。

Distributed Ram FIFO：通過分布式RAM配置形成的FIFO，與BRAM類似，只是RAM的類型不一樣。

Reset

shift register FIFO和built-in FIFO的復位信號是不可選的，即一定存在的。對于shift register FIFO和7系列的built-in FIFO，Xilinx只提供了異步復位；而對于UltraScale，復位是同步復位信號，但提供了w_rst_busy和rd_rst_busy輸出信號表示FIFO是否已經(jīng)復位完畢。

Block RAM FIFO 和 Distributed RAM FIFO的復位信號是可選的。對于共用時鐘的FIFO，選擇同步復位和異步復位的區(qū)別主要在于是否復位信號是否和共用時鐘同步；當選擇異步復位時，可以Enable Safety Circuit，顧名思義就是讓電路更安全，即通過復位完成信號wr_rst_busy和rd_rst_busy來表示是否FIFO已經(jīng)復位完成。對于獨立時鐘的FIFO，即讀和寫的時鐘分開，Enable Reset Synchronication時只有一個rst(實際上這個復位是異步復位)，不使能時有兩個時鐘域的rst，分別為wr_rst和rd_rst，而這兩個復位信號實際上是同步于各自的時鐘的，同時也能Enable Safety Circuit，是不是覺得好像整錯了，其實Xilinx的官方文檔就是這么說明的，如果還是覺得有問題，實踐一下……

其實上邊的如果不理解，我自己總結(jié)了一下：看復位是同步復位還是異步復位，只需要看信號的名字，對于srst(Synchronized Reset)和wr_rst/rd_rst，這幾個rst是同步復位，一個同步于共用時鐘，其余兩個同步于各自的時鐘域；對于rst，則認為是異步復位。

寫操作

寫數(shù)據(jù)只有在din輸入同時wr_ack被斷言時才寫入到FIFO中。這里wr_ack是對數(shù)據(jù)接收的應答，斷言時表示接收成功。當然也可以不使能wr_ack，這樣子其實也沒什么大問題，只是wr_ack的存在會讓數(shù)據(jù)的寫入更加安全。

需要注意的一個關鍵點是，F(xiàn)IFO被寫滿時，即使再輸入數(shù)據(jù)，寫入請求還是會被忽略的，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)保持不變。

滿標志

滿標志有full和almost_full兩種。full表示不能寫數(shù)據(jù)了，almost_full則表示只能再寫入一個數(shù)據(jù)。當full被斷言時，寫請求會被忽略掉，同時overflow溢出標志被斷言。

【注】built-in FIFO不支持almost_full標志。

寫操作時序分析

上圖是從datasheet中copy的一個典型的寫操作時序圖。

當wr_en被使能為1時，表示寫操作開始，并在時鐘上升沿開始寫入。此時full為低電平表示FIFO未滿，可以寫入。

當數(shù)據(jù)寫入成功時，wr_ack被斷言，即拉高表示數(shù)據(jù)寫入成功***(此時我們還是得注意寫入成功那個時刻，wr_ack實際上還是低電平，真正能檢測到高電平的還是得在下個時鐘沿)***。

當FIFO只能再支持寫一個數(shù)據(jù)時，almost_full被斷言***(應該注意到，這些標志信號都是有一個cycle的延遲的，即實際上當我們檢測到amost_full拉高時，最后一個數(shù)據(jù)也在同時刻寫入FIFO，所以FIFO在這個時刻已經(jīng)滿了)***。

當FIFO的almost_full拉高時，再次寫入一個數(shù)據(jù)，則full也被斷言。

當FIFO的full被斷言時，再寫入數(shù)據(jù)，wr_ack被拉低，同時overflow溢出信號被斷言。

在FIFO被寫滿時，如果開始讀操作，full信號會被拉低，此時數(shù)據(jù)又可以再次寫入FIFO。

讀操作

當read使能且FIFO不是空的時候，數(shù)據(jù)開始從FIFO讀出。同時valid信號被斷言表示數(shù)據(jù)有效。讀操作只有在FIFO有數(shù)據(jù)時才能成功，當FIFO是空的時，此時讀信號會被忽略，同時underflow會被斷言表示下溢，數(shù)據(jù)輸出不會發(fā)生任何變化。

空信號

almost_empty表示FIFO即將被讀空，只剩下一個數(shù)據(jù)。empty表示FIFO已經(jīng)被讀空，只有當FIFO再次被寫入數(shù)據(jù)時，empty才會再次被拉低。almost_empty和empty都同步于rd_clk時鐘域。當FIFO被讀空時，再進行讀寫則underflow信號會被斷言。

【注】built-in FIFO不支持almost_empty信號

當讀操作和寫操作同時發(fā)生在empty被斷言時，寫操作可以正常執(zhí)行，讀操作會被忽略，在下個時鐘，empty和underflow被拉低后，才能繼續(xù)進行讀操作。

讀操作時序分析

FIFO的讀操作有兩種模式，Standard Read和First-Word Fall-Through。簡單地說，標志讀模式下，數(shù)據(jù)會在請求的下一個時鐘給出，而FWFT則在請求的同一個時鐘給出。

Standard Read

標準讀模式下，當empty沒有被斷言時，表示FIFO中有數(shù)據(jù)可讀。此時使能rd_en，在下個時鐘上升沿即開始讀取數(shù)據(jù)，同時valid被拉高表示讀取數(shù)據(jù)有效。當讀到FIFO只剩一個數(shù)據(jù)時，almost_empty被斷言；當讀完所有數(shù)據(jù)時，empty被斷言。此時如果再進行讀取，則underflow被斷言，表示下溢，同時valid拉低表示數(shù)據(jù)無效。

First-Word Fall-Through

在FWFT模式下，數(shù)據(jù)總是能被提前獲取的，可以這么理解，在我們還不需要讀取FIFO的數(shù)據(jù)的時候，其實我們不在乎FIFO中第一個數(shù)據(jù)是什么，但FWFT模式下，第一個數(shù)據(jù)提前進入了準備發(fā)送的狀態(tài)，即我們可以dout處看到即將輸出的數(shù)據(jù)是什么，而當我們開始讀的時候，下一個數(shù)據(jù)就進入準備狀態(tài)，也被我們提前獲取了。

比較兩種模式下的flag信號。almost_empty是在FIFO中還剩下一個數(shù)據(jù)是被斷言，empty是在把最后一個數(shù)據(jù)讀取完了之后被斷言，在SR模式下，empty是在把最后一個數(shù)據(jù)讀出來的同時拉高，在FWFT模式下，empty是在獲取最后一個數(shù)據(jù)后才拉高，因為我們是提前知道最后一個數(shù)據(jù)，此時的數(shù)據(jù)還是停留在FIFO中，只有把它讀出來了，F(xiàn)IFO才是空的，empty才會被斷言。inderflow都在讀空之后還試圖繼續(xù)讀取的時候才會拉高，所以underflow總是比empty慢一拍。valid總是和數(shù)據(jù)是同步的。

同時讀寫時序分析

下圖是標準讀寫模式下的時序圖，原理前面已經(jīng)講過了，這里提供給大家驗證自己的理解是否正確。

握手信號

FIFO的握手信號主要有wr_ack、valid、underflow和overflow。

wr_ack：write acknowledge，即寫操作應答。當寫入成功時，wr_ack斷言回應表示寫入數(shù)據(jù)成功。

valid：valid信號表示數(shù)據(jù)有效的意思，它的時序在SR和FWFT模式中均表現(xiàn)為數(shù)據(jù)有效，但和rd_en的時序相位有區(qū)別。

underflow：下溢信號。當FIFO為空且繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)時，則會出現(xiàn)下溢。

overflow：上溢信號。當FIFO寫滿后還繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)時，則出現(xiàn)上溢。

Programmable Flags

用戶自定義閾值標志位。分為Programmable full和Programmable empty兩種。前者表示FIFO寫滿狀態(tài)的閾值，后者表示FIFO讀空狀態(tài)的閾值。簡單地說，就是不管FIFO的深度，你想讓它存入多少數(shù)據(jù)時就認為已經(jīng)裝滿了，或者你讓他認為還剩多少數(shù)據(jù)就已經(jīng)算讀空，可以自行設置。

對于prog_full和prog_empty，可以設置為單閾值(single)和多閾值(multiple)，設置單閾值時，大于或等于(小于或等于)閾值就會斷言滿(空)信號。而設置多閾值，就可以出現(xiàn)滯留效果，以prog_full為例，當設置assert threshold為100，negate threshold為80時，當FIFO中數(shù)據(jù)沒到100時，只有大于100后才會斷言滿，而此時斷言滿之后被讀到100以下后，F(xiàn)IFO仍然認為是滿的，只有持續(xù)讀到小于80，才會認為未滿，即negate。

其次，對于閾值的設定，既可以設置為常數(shù)，也可以設置為一個自定義輸入。當定義為自定義輸入的時候，F(xiàn)IFO的滿空狀態(tài)就變成自適應的了，隨時可以通過閾值輸入進行修改。

Data Counts

Data Count只能用于共用時鐘。對于讀寫時鐘分開的情況，則分別用Read Data Count和Write Data Count來表示FIFO中的數(shù)據(jù)，異步FIFO中雖然是同一個FIFO，但rd_data_cnt和wr_data_cnt中的數(shù)值不一定是相等的，為什么這么設置，因為安全！具體說明：

Read Data Count 和 Write Data Count 都是采用的保守估計的方式。什么是保守估計，意思就是假設FIFO中至少有8個數(shù)據(jù)可讀，但FIFO只跟你說我這里只有8個數(shù)據(jù)可讀，那么你就會認為只能讀8個數(shù)據(jù)，實際上可能能讀9個或者10個，這么做的原因時為了保證FIFO讀操作的安全性，后面我們分析異步FIFO的時候就能深刻理解這么做的精妙之處，這就是保守估計。類似的，當FIFO中還可以寫至少8個數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO會說只能寫8個數(shù)據(jù)了，這樣子你也只會寫8個數(shù)據(jù)，實際上FIFO可以寫9-10個左右。datasheet中的原文表述為Read data count (rd_data_count) pessimistically reports the number of words available for reading. The count is guaranteed to never over-report the number of words available in the FIFO (although it may temporarily under-report the number of words available) to ensure that the user design never underflows the FIFO.

那么，F(xiàn)IFO是怎么實現(xiàn)這種保守估計的呢？結(jié)合下圖一起分析，我們以Write Data Count為例，由于wr_data_cnt同步于wr_clk，wr_en也同步于wr_clk，所以wr_en使能后，每寫入一個data，都可以在下個時鐘沿反饋到wr_data_cnt上，寫入一個數(shù)據(jù)，wr_data_cnt就加一；相應的，讀出一個數(shù)據(jù)，wr_data_cnt也需要減一，才能正確反應FIFO中的數(shù)據(jù)量。但對于rd_en，由于rd_en是同步于rd_clk的，所以rd_en的使能需要通過一系列的時鐘同步到wr_clk中才能反映到wr_data_cnt上，通常采用的方式是格雷碼和打拍子的方式，如下圖所示，可以看到需要將Read Counter通過格雷碼轉(zhuǎn)換(格雷碼轉(zhuǎn)換可以消除很多中間不定態(tài)，大大增強了穩(wěn)定性)，再進行跨時鐘域傳輸，這里跨時鐘域傳輸一般可以選擇打拍子的方式，由于已經(jīng)轉(zhuǎn)化成了格雷碼，此時多bit傳輸就可以變成單bit傳輸，因為相鄰state只有其中一個bit發(fā)生了變化，單bit跨時鐘域傳輸就可以采用打拍子的方式進行時鐘域轉(zhuǎn)換，這樣子就造成了的結(jié)果就是傳送到wr_clk時鐘域時的Read Counter的數(shù)值是過去的Read Counter，比最新的Read Counter要小，因此Write Counter-Read Counter偏大，從而認為FIFO中有更多的數(shù)據(jù)存儲(實際上并沒有那么多數(shù)據(jù))，因此wr_data_cnt輸出的信息就是FIFO中最多有多少個數(shù)據(jù)，至少還能寫入多少個數(shù)據(jù)，而我們能知道的就是我們只要寫入的數(shù)據(jù)不超過它的最小值，就能保證FIFO永遠不會寫滿，這樣子安全性就提高了。

Non-symmetric Aspect Ratios

非對稱比例用于設置寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)的位寬不同的情況。用例子說明如下：

上圖表示1：4的Aspect Ratio，即寫一次只能寫一個數(shù)據(jù)，但讀可以一次讀四個數(shù)據(jù)，寫的時候是從高位寫到低位。需要注意的一個點是，對于讀寫非對稱的情況，如上所述，假設讀空了FIFO之后，empty被斷言，則此時寫入一個數(shù)據(jù)并不能拉低empty，必須寫入至少四個才能將empty拉低，即FIFO中遵循位寬最大法則。