• 基于RAM实现乒乓buffer


    乒乓设计的思想

    乒乓操作一般用来处理从快速的数据流到慢速的数据流之间的转换,也经常被用来处理跨时钟域的问题,采用串转并的思想,是一种异样的流水线技术的思想。如下图所示:
    在这里插入图片描述
    现在面临的问题是输入数据要从快的时钟域到慢的时钟域,如何对数据进行有效的传输并处理。这时便采用乒乓操作。现在假设时钟域1的时钟频率是50MHz,时钟2的频率是25MHz。假设在一个缓冲周期(其实就是BUFFER的存储容量)内要传输16位8比特的数据。在第一周缓冲周期内对BUFFER1写数据。在第二个缓冲周期内,对BUFFER2写数据,同时对BUFFER1采用时钟2的频率对BUFFER进行读数据,但是此时你会发现,在第二个时钟周期读完之后,此时对于BUFFER1的数据的读取只完成了一半(如果只是按照原有的数据宽度读取),换句话说在在第三个缓冲周期写BUFFER1时,发现此时BUFFER1的数据还没有读完。解决这个问题的方法就是我们说的串转并,就是我们每次不是读取8位的数据,而是每次读取16位的数据,这样我们就可以在第二个缓冲周期内把BUFFER1的数据读取完毕,以便在第三个缓冲周期写BUFFER1同时读取BUFFER2的数据,周而复始形成了流水线。

    RAM IP

    声明的RAM的IP是一个双端口的ram,输入数据宽度是8位宽,深度是16。输出数据的宽度是16位宽,深度是8.如下图所示:
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    锁相环IP

    其作用是输入50MHz的时钟,输出25MHz的时钟。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    乒乓BUFFER的设计思想

    写BUFFER

    采用了状态机作为控制逻辑,决定写BUFFER1还是BUFFER2.

    IDLE空闲状态
    WR_BUF1写BUFFER1
    WR_BUF2写BUFFER2
    END_WR结束写状态

    状态之间跳转的如下代码所示:

    always @(*) begin
            case(state)
                IDLE:   next_state <= start ? WR_BFR1 : IDLE;
                WR_BFR1:next_state <= wr_buf1_end ? WR_BFR2 : WR_BFR1;
                WR_BFR2:next_state <= wr_buf2_end ? END_WR : WR_BFR2;
                END_WR: next_state <= IDLE;
            endcase
        end
    
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    读BUFFER

    采用了状态机作为控制逻辑,决定读BUFFER1还是BUFFER2.

    IDLE空闲状态
    RD_BUF1读BUFFER1
    RD_BUF2读BUFFER2
    END_RD结束读状态
    跳转逻辑如下:
    always @(*) begin
            case(read_state)
                IDLE:   rd_nxt_state <= wr_buf1_end ? RD_BFR1 : IDLE;
                RD_BFR1:rd_nxt_state <= rd_buf1_end ? RD_BUBBLE : RD_BFR1;
                RD_BUBBLE:rd_nxt_state <= RD_BFR2;
                RD_BFR2:rd_nxt_state <= rd_buf2_end ? END_RD : RD_BFR2;
                END_RD: rd_nxt_state <= IDLE;
            endcase
        end
    
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    实现的全部代码(注释详细)

    //date:2022/9/7
    //function:实现一个ram的pingpongbuffer
    //输入数据流的时钟是50MHz
    //输出数据流(处理数据流)的时钟是25MHz
    //采用vivado的IP生成的ram
    module pingpong_buffer(
        input   wire                clk         ,
        input   wire                rst_n       ,
        input   wire    [7:0]       data_in     ,
        input   wire                start       ,
    
        output  wire    [15:0]      data_out    ,
        output  wire                locked       
    );
        parameter   IDLE    =   3'd0    ,       //空闲状态
                    WR_BFR1 =   3'd1    ,       //写BUF1状态
                    WR_BFR2 =   3'd2    ,       //写BUF2状态
                    END_WR  =   3'd3    ,       //写BUF结束状态
                    RD_BFR1 =   3'd4    ,       //读BUF1状态
                    RD_BFR2 =   3'd5    ,       //读BUF2状态
                    END_RD  =   3'd6    ,       //结束读状态
                    RD_BUBBLE=  3'd7    ;       //读气泡
    
        wire                clk_25mhz   ;
        //wire                locked      ;
        wire                asso_rst_n  ;
        wire                wr_buf1_end ;   
        wire                wr_buf2_end ;
        wire                rd_buf1_end ;
        wire                rd_buf2_end ;
        wire    [15:0]      data_o_buf1 ;
        wire    [15:0]      data_o_buf2 ;
        
    
        reg                 wea         ;       //ram写使能信号
        reg     [2:0]       state       ;
        reg     [2:0]       next_state  ;
        reg     [3:0]       wr_buf1_addr;       //写ram1地址
        reg     [3:0]       wr_buf2_addr;       //写ram2地址
        reg     [3:0]       read_state  ;
        reg     [3:0]       rd_nxt_state;
        reg     [2:0]       rd_buf1_addr;       //读ram1地址
        reg     [2:0]       rd_buf2_addr;       //读ram1地址
        reg                 wr_end      ;       //写结束
        reg                 rd_end      ;       //读结束
    
        assign asso_rst_n = rst_n && locked;   //生成一个新的复位信号
    
        always @(posedge clk or negedge asso_rst_n) begin
            if(!asso_rst_n) begin
                state <= IDLE;
            end
            else begin
                state <= next_state;
            end
        end
    
        always @(posedge clk_25mhz or negedge asso_rst_n) begin
            if(!asso_rst_n) begin
                read_state <= IDLE;
            end
            else begin
                read_state <= rd_nxt_state;
            end
        end
        
        always @(posedge clk or negedge asso_rst_n) begin
            if(~asso_rst_n) begin
                wea <= 1'b0;
            end
            else if (next_state == WR_BFR1) begin
                wea <= 1'b1;
            end
            else if (next_state == WR_BFR2) begin
                wea <= 1'b0;
            end
            else begin
                wea <= 1'b0;
            end
        end
        always @(posedge clk or negedge asso_rst_n) begin
            if(!asso_rst_n) begin
                wr_buf1_addr <= 4'd0;
                wr_buf2_addr <= 4'd0;
                wr_end <= 1'b0;
            end
            else begin
                case(state)
                    IDLE:   begin
                        wr_buf1_addr <= 4'd0;
                        wr_buf2_addr <= 4'd0;
                        wr_end <= 1'b0;
                    end
                    WR_BFR1: begin
                        wr_buf1_addr <= (wr_buf1_addr == 4'd15) ? 4'd0 : wr_buf1_addr + 1'b1;
                        wr_buf2_addr <= 4'd0;
                    end
                    WR_BFR2: begin
                        wr_buf1_addr <= 4'd0;
                        wr_buf2_addr <= (wr_buf2_addr == 4'd15) ? 4'd0 : wr_buf2_addr + 1'b1;
                    end
                    END_WR: begin
                        wr_buf1_addr <= 4'd0;
                        wr_buf2_addr <= 4'd0;
                        wr_end <= 1'b1;
                    end
                    default: begin
                        wr_buf1_addr <= 4'd0;
                        wr_buf2_addr <= 4'd0;
                        wr_end <= 1'b0;
                    end
                endcase
            end
        end
        always @(*) begin
            case(state)
                IDLE:   next_state <= start ? WR_BFR1 : IDLE;
                WR_BFR1:next_state <= wr_buf1_end ? WR_BFR2 : WR_BFR1;
                WR_BFR2:next_state <= wr_buf2_end ? END_WR : WR_BFR2;
                END_WR: next_state <= IDLE;
            endcase
        end
    
        assign wr_buf1_end = (wr_buf1_addr == 4'd15) ? 1'b1 : 1'b0;
        assign wr_buf2_end = (wr_buf2_addr == 4'd15) ? 1'b1 : 1'b0;
        assign rd_buf1_end = (rd_buf1_addr == 3'd7) ? 1'b1 : 1'b0;
        assign rd_buf2_end = (rd_buf2_addr == 3'd7) ? 1'b1 : 1'b0;
        always @(posedge clk_25mhz or negedge asso_rst_n) begin
            if(!asso_rst_n) begin
                rd_buf1_addr <= 3'd0;
                rd_buf2_addr <= 3'd0;
                rd_end <= 1'b0;
            end
            else begin
                case(read_state)
                    IDLE:   begin
                        rd_buf1_addr <= 3'd0;
                        rd_buf2_addr <= 3'd0;
                        rd_end <= 1'b0;
                    end
                    RD_BFR1: begin
                        rd_buf1_addr <= (rd_buf1_addr == 3'd7) ? 3'd0 : rd_buf1_addr + 1'b1;
                        rd_buf2_addr <= 3'd0;
                    end
                    RD_BFR2:begin
                        rd_buf1_addr <= 3'd0;
                        rd_buf2_addr <= (rd_buf2_addr == 3'd7) ? 3'd0 : rd_buf2_addr + 1'b1;
                    end
                    END_RD:begin
                        rd_buf1_addr <= 3'd0;
                        rd_buf2_addr <= 3'd0;
                        rd_end <= 1'b1;
                    end
                    default: begin
                        rd_buf1_addr <= 3'd0;
                        rd_buf2_addr <= 3'd0;
                        rd_end <= 1'b0;
                    end
                endcase
            end
        end
    
        always @(*) begin
            case(read_state)
                IDLE:   rd_nxt_state <= wr_buf1_end ? RD_BFR1 : IDLE;
                RD_BFR1:rd_nxt_state <= rd_buf1_end ? RD_BUBBLE : RD_BFR1;
                RD_BUBBLE:rd_nxt_state <= RD_BFR2;
                RD_BFR2:rd_nxt_state <= rd_buf2_end ? END_RD : RD_BFR2;
                END_RD: rd_nxt_state <= IDLE;
            endcase
        end
        //调用时钟锁相环的ip
        clk_pll_v1   u_clk_pll (
            .clk_in1    (clk)       ,
            .reset      (~rst_n)    ,
    
            .locked     (locked)    ,
            .clk_out1   (clk_25mhz)
        );
        //调用ram的ip
        blk_mem_gen_0 buffer1(
            .clka   (clk)           ,
            .clkb   (clk_25mhz)     ,
            .wea    (wea)           ,
            .addra  (wr_buf1_addr)  ,
            .addrb  (rd_buf1_addr)  ,
            .dina   (data_in)       ,
            .doutb  (data_o_buf1)
        );
        blk_mem_gen_0 buffer2(
            .clka   (clk)           ,
            .clkb   (clk_25mhz)     ,
            .wea    (~wea)          ,
            .addra  (wr_buf2_addr)  ,
            .addrb  (rd_buf2_addr)  ,
            .dina   (data_in)       ,
            .doutb  (data_o_buf2)
        );
    
        assign data_out = ((read_state == RD_BFR1 && rd_buf1_addr >= 1) || read_state == RD_BUBBLE ) ? data_o_buf1 : (read_state == RD_BFR2) ? data_o_buf2 : 16'd0;
    
    endmodule
    
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    testbench如下:

    `timescale 1ns/1ns
    `define CLK_CYCLE 20
    module pingpong_tb();
    
        reg             clk         ;
        reg             rst_n       ;
        reg     [7:0]   data_in     ;
        reg             start       ;
    
        wire    [15:0]  data_out    ;
        wire            locked      ;
    
        pingpong_buffer u_pingpong_buffer(
        .   clk        (clk),
        .   rst_n      (rst_n),
        .   data_in    (data_in),
        .   start      (start),
    
        .   data_out  (data_out),
        .   locked     (locked)  
    );
    
        initial begin
            clk = 0;
            rst_n = 0;
            data_in = 8'd0;
            start = 1'b0;
            #30
            rst_n = 1;
            #40
            @(posedge locked);
            start = 1'b1;
            #20
            start = 1'b0;
            repeat(50) begin
                data_in = $random() % 256;
                @(posedge clk);
            end
        end
        
        always # (`CLK_CYCLE / 2) clk = ~clk;
    
    endmodule
    
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    仿真波形(可见结果正确):
    在这里插入图片描述

    总结

    知道了乒乓设计的思想,对于状态机的设计更加熟练了。继续加油!

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/weixin_45614076/article/details/126771064