数字IC手撕代码-同步FIFO

 前言： 

        本专栏旨在记录高频笔面试手撕代码题，以备数字前端秋招，本专栏所有文章提供原理分析、代码及波形，所有代码均经过本人验证。

目录如下：

1.数字IC手撕代码-分频器（任意偶数分频）

2.数字IC手撕代码-分频器（任意奇数分频）

3.数字IC手撕代码-分频器（任意小数分频）

4.数字IC手撕代码-异步复位同步释放

5.数字IC手撕代码-边沿检测（上升沿、下降沿、双边沿）

6.数字IC手撕代码-序列检测（状态机写法）

7.数字IC手撕代码-序列检测（移位寄存器写法）

8.数字IC手撕代码-半加器、全加器

9.数字IC手撕代码-串转并、并转串

10.数字IC手撕代码-数据位宽转换器（宽-窄，窄-宽转换）

11.数字IC手撕代码-有限状态机FSM-饮料机

12.数字IC手撕代码-握手信号（READY-VALID）

13.数字IC手撕代码-流水握手（利用握手解决流水线断流、反压问题）

14.数字IC手撕代码-泰凌微笔试真题

15.数字IC手撕代码-平头哥技术终面手撕真题

16.数字IC手撕代码-兆易创新笔试真题

17.数字IC手撕代码-乐鑫科技笔试真题（4倍频）

18.数字IC手撕代码-双端口RAM（dual-port-RAM）

        ...持续更新

更多手撕代码题可以前往 数字IC手撕代码--题库。

---

目录

原理介绍

同步FIFO的工作方式

FIFO空满的产生

计数器判断空满

代码

Dual Port RAM

sync_FIFO

         testbench

波形图

---

原理介绍

        在设计系统时，会包含工作在不同时钟频率下的元件，例如处理器和外设。数据在这些元件之间传输时先进先出（FIFO first in first out）阵列起到了重要作用。FIFO是用于对在通信总线上传输的数据进行排列的简单存储结构。

        因此，FIFO常用来传输跨不同时钟域的数据。

        本节介绍简单的同步FIFO架构，读写使用同样的时钟，为我们后续写异步FIFO（读写时钟非同源）做铺垫。

        下面给出了一个同步FIFO的通用架构，DPRAM（Dual Port RAM 双端口RAM）作为存储器来存储信息，在此之上添加判断DPRAM空满信息的组件后，整个模块就是一个同步FIFO了，读写分别使用不同的使能和地址信号（读、写使能，读、写地址分立），使得整个模块可以进行同时读写。

         通过读、写指针产生各自的读、写地址，送到读、写端口。写指针指向下一个要写入的地址，读指针指向下一个要读取的地址。有效写使能使得写指针递增， 有效的读使能使读指针递增。

        图中的“状态模块”产生FIFO的空满信号，如果“fifo_full”有效，则说明FIFO内部的空间已满，不能再写入数据。如果“fifo_empty”有效，则说明FIFO内乜有可供读取的下一个有效数据。通过对读写指针位置的判断，该模块也可以指示出任意时刻FIFO中空或满区域的个数。

同步FIFO的工作方式

        复位后，读写指针都归0。此时“fifo_empty”信号置为有效而“fifo_full”保持低电平。因为FIFO为空，所以阻止对FIFO的读操作，只能进行写操作。后续的写操作会增加写指针的值，并将“fifo_empty”信号置为无效。在写到最后一个数据时，写指针等于RAM_SIZE-1。此时进行一个写指针会使写指针滚回到0，并将“fifo_full”信号置为高电平。

        总之，在读、写指针相等时，FIFO要么空要么满，所以需要对两种情况进行区分。

FIFO空满的产生

        以深度为4的FIFO为例，一开始读写指针指向同一个位置，FIFO为空。写入三个数据之后，写指针指向RAM_SIZE-1=3的位置，此时再写入一个数据，写指针（wr_ptr）滚回0，和读指针指向同一个位置，此时FIFO为满。

        根据这种逻辑，很容易推导出这么一个结论：无论读写指针此时指向什么位置，当wr_ptr+1==rd_ptr时，FIFO再写入一个数据就满了，所以有： 

        fifo_full = （rd_ptr == (wr_ptr + 1'b1)）&& wr_fifo

从而有判断FIFO为满的RTL 代码：

always@(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        fifo_full <= 1'b0;
    else if(wr_fifo && rd_fifo)
        ;//do nothing
    else if(rd_fifo)
        fifo_full <= 1'b0;
    else if((rd_ptr = wr_ptr + 1'b1) && wr_fifo)
        fifo_full <= 1'b1;
end

        类似的，当读操作使得两个指针在下一个时钟相等时，FIFO变空，产生“fifo_empty”信号。有如下关系：无论读写指针此时指向什么位置，当rd_ptr+1==wr_ptr时，FIFO再读出一个数据就空了。

        fifo_empty = （wr_ptr == (rd_ptr + 1'b1)）&& rd_fifo

从而有判断FIFO为空的RTL 代码： 

always @(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        fifo_empty <= 1'b1;
    else if(wr_fifo && rd_fifo)
        ;//do nothing
    else if(wr_fifo)
        fifo_empty <= 1'b0;
    else if((wr_ptr = rd_ptr + 1'b1) && rd_fifo)
        fifo_empty <= 1'b1;
end

计数器判断空满

        FIFO还有另一种利用计数器来指示FIFO空满的方法。

        计数器的宽度要与FIFO的深度相等，这样计数器才能记录FIFO数据的最大个数。计数器在复位时初始化为0，随后的任何写操作会将其递增1，任何读操作会使其递减1。

        在计数器为0时，很容易判断FIFO处于空状态，而当计数器的值等于FIFO的大小时，就能判断FIFO处于满状态。

        对于这种采用计数器来判断空满的方式实现比较简单，但是和上一个比较读写指针位置的方法相比资源占用会高一些。因为这种方法要求增加额外的硬件（计数器）来进行计数。

代码

        简单来说，FIFO就是一个有判断空满逻辑的双端口RAM，下面我们来写一下以指针循环一周期判断空满的方式的同步FIFO，但是在之前我们先要写一个双端口RAM来存储数据。

Dual Port RAM

module dual_port_ram#(
    parameter DEPTH = 16,
    parameter WIDTH = 8
)(
    input                       wr_clk      ,
    input                       wr_en       ,
    input   [$clog(DEPTH)-1:0]  wr_addr     ,
    input   [WIDTH-1:0]         wr_data     , 
 
    input                       rd_clk      ,
    input                       rd_en       ,
    input   [$clog(DEPTH)-1:0]  rd_addr     ,
    output  [WIDTH-1:0]         rd_data
);
reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [DEPTH-1:0];
 
always @(posedge wr_clk)begin
    if(wr_en)
        RAM_MEM[wr_addr] <= wr_data;
end
 
always @(posedge rd_clk)begin
    if(rd_en)
        RAM_MEM[rd_addr] <= rd_data;     
end
 
endmodule

        整个双端口RAM其实就是一个简单的写使能时，把数据写入输入的写地址。读使能时，把数据从地址里读出来的那么一个功能，后续在FIFO中例化该Dual Port RAM模块。

sync_FIFO

`include "clog.v"
 
module sync_fifo#(
    parameter WIDTH = 8     ,
    parameter DEPTH = 16 
)(
    input                       clk         ,       
    input                       rstn        ,   // reset while rstn is negative
    
    //write interface
    input       [WIDTH-1:0]     data_in     ,   // input data 
    input                       wr_en       ,   // write enable 
    
    //read interface
    input                       rd_en       ,   // read enable
    output      [WIDTH-1:0]     data_out    ,
 
    output  reg                 fifo_empty  ,
    output  reg                 fifo_full     
);
 
//signal define 
reg [clog(DEPTH)-1:0]    wr_ptr;
reg [clog(DEPTH)-1:0]    rd_ptr;
 
wire wr_fifo;
wire rd_fifo;
 
//write data opration
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        wr_ptr <= 1'b0;
    else if(wr_fifo)
        wr_ptr <= wr_ptr + 1'b1;  
end
 
assign wr_fifo = wr_en && !fifo_full;
 
//read data opration
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        rd_ptr <= 1'b0;
    else if(rd_fifo)
        rd_ptr <= rd_ptr + 1'b1;
end
 
assign rd_fifo = rd_en && !fifo_empty;
 
//full signal judgment
always@(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        fifo_full <= 1'b0;
    else if(wr_fifo && rd_fifo)
        ;//do nothing
    else if(rd_fifo)
        fifo_full <= 1'b0;
    else if((rd_ptr == wr_ptr + 1'b1) && wr_fifo)
        fifo_full <= 1'b1;
end
 
//empty signal judgment
always @(posedge clk or negedge rstn)begin
    if(!rstn)
        fifo_empty <= 1'b1;
    else if(wr_fifo && rd_fifo)
        ;//do nothing
    else if(wr_fifo)
        fifo_empty <= 1'b0;
    else if((wr_ptr == rd_ptr + 1'b1) && rd_fifo)
        fifo_empty <= 1'b1;
end
 
 
dual_port_ram #(
    .DEPTH      (DEPTH)     ,
    .WIDTH      (WIDTH)
)u_dual_port_ram
(
    .wr_clk      (clk)       ,       //sync FIFO ,wr_clk = rd_clk
    .wr_en       (wr_fifo)   ,
    .wr_addr     (wr_ptr)    ,
    .wr_data     (data_in)   ,
 
    .rd_clk      (clk)       ,
    .rd_en       (rd_fifo)   ,
    .rd_addr     (rd_ptr)    ,
    .rd_data     (data_out)
);
 
endmodule

        此外，还写了一个判断位宽的函数clog.v

`ifndef MY_CLOG
`define MY_CLOG
 
function integer clog (input integer depth);
    begin
        for (clog=0; depth-1>0; clog=clog+1) 
            depth = depth >>1;                          
    end
endfunction
 
`endif

testbench

`timescale 1ns/1ns
 
module sync_fifo_tb();
 
parameter WIDTH = 8;
parameter DEPTH = 16;
 
reg                     clk         ;
reg                     rstn        ;
 
reg     [WIDTH-1:0]     data_in     ;
reg                     rd_en       ;
reg                     wr_en       ;
 
wire    [WIDTH-1:0]     data_out    ;
wire                    empty       ;
wire                    full        ;
 
always #5 clk = ~clk;
 
initial begin
    clk     <= 1'b0;
    rstn    <= 1'b0;
    data_in <= 'd0;
    rd_en   <= 1'b0;
    wr_en   <= 1'b0;
    
    //write 16 times to make fifo full
    #10
    rstn    <= 1'b1;
    repeat(16)begin
        @(negedge clk)begin
            wr_en   <= 1'b1;
            data_in <= $random; // generate 8bit random number data_in
        end
    end
    
    //read 16 times to make fifo empty
    repeat(16)begin
        @(negedge clk)begin
            wr_en   <= 1'b0;
            rd_en   <= 1'b1;
        end
    end
    //read and write 8 times
    repeat(8)begin
        @(negedge clk)begin
            wr_en   <= 1'b1;
            data_in <= $random; 
            rd_en   <= 1'b0;
        end
    end
    //Continuous read and write
    forever begin
        @(negedge clk)begin
            wr_en   <= 1'b1;
            data_in <= $random;
            rd_en   <= 1'b1;
        end
    end
end
initial begin
    #800
    $finish();
end
initial begin
    $fsdbDumpfile("sync_fifo.fsdb");
    $fsdbDumpvars(0);
end
sync_fifo #(
    .WIDTH      (WIDTH)     ,
    .DEPTH      (DEPTH)
)u_sync_fifo
(
    .clk        (clk)       ,
    .rstn       (rstn)      ,
    .data_in    (data_in)   ,
    .rd_en      (rd_en)     ,
    .wr_en      (wr_en)     ,
    .data_out   (data_out)  ,
    .fifo_empty (empty)     ,
    .fifo_full  (full)
);
endmodule

波形图

        仿真结果和分析的结果一致， 写入16个数据将FIFO写满，此时full信号拉高；读出16个数据将FIFO读空，此时empty信号拉高；写入8个数据之后，同时读写，写入数据和读出数据均保持一致，功能正确。

        了解了同步FIFO的设计方法后，再进行异步FIFO的设计就比较简单了，下篇博客记录如何写一个异步FIFO，解决FIFO中跨时钟域的问题。

---

        更多手撕代码题可以前往 数字IC手撕代码--题库。