首页 > 其他分享 >FPGA必修课—FIFO

FPGA必修课—FIFO

时间:2024-07-04 21:29:11浏览次数:19  
标签:读取 FPGA 写入 FIFO 数据 必修课 指针

FIFO基本概念

FIFO,全称为“First In First Out”,译为“先进先出”。这是一种常见的数据存储和处理原则,其基本含义在于数据的存取顺序:最先进入的数据将最先被取出。FIFO可以被视为一种特殊类型的数据缓冲区,它按照元素到达的顺序进行数据的存取操作。

学习FIFO的重要性在于它在多种计算和通信系统中扮演着关键角色。特别是在FPGA设计中,FIFO的应用极为广泛,其重要性体现在以下几个方面:

1,数据流控制:在FPGA设计中,不同的模块或子系统往往以不同的速率运行。FIFO作为一种缓冲机制,能够协调这些不同速率的模块之间的数据传输,确保数据流的稳定性和连续性。

2,数据同步:当FPGA与外部设备或不同时钟域的内部模块交互时,FIFO可用于同步数据,避免因时钟差异造成的数据丢失或混乱。

3,资源优化:合理地使用FIFO可以减少系统的等待时间和提高效率,因为它允许数据在生产者端快速积累,而在消费者端按需取用,从而优化了整体资源的使用。

复杂度管理:随着FPGA设计的复杂性增加,FIFO提供了一种相对简单的方式来管理数据流,降低了设计的复杂度,并提高了设计的灵活性和可维护性。

因此,掌握FIFO的原理和应用对于进行有效的FPGA设计至关重要。它不仅关系到数据处理的正确性和效率,也是连接不同模块、处理异步信号等高级设计技巧的基础。通过学习FIFO,我们能够更好地理解和应对FPGA设计中的数据流挑战,提升整个系统的性能和可靠性。


FIFO的工作原理

FIFO的工作原理是基于一种非常直观的数据存取原则,即数据的存取顺序完全依照它们进入FIFO的顺序来进行。下面是FIFO工作原理的详细描述:

数据写入:
当数据到来时,它被放置在FIFO的末端。这通常是通过写入指针来实现的,该指针指向下一个可以写入数据的位置。每次写入操作后,写入指针会根据FIFO的大小向前移动,准备接收下一个数据项。
如果FIFO已满,则无法再写入新的数据,直到有数据被读取出去为止。

数据读取:
数据的读取是从FIFO的开始位置进行的,也就是最早进入FIFO的数据首先被取出。读取操作通过读取指针来定位当前可以读取的数据位置。每次读取操作后,读取指针同样向前移动,指向下一个可读取的数据项。如果FIFO为空,则无法进行读取操作,直到有新的数据写入为止。

指针管理:
FIFO通常包含两个指针:写入指针和读取指针,分别用来追踪下一次写入和读取的位置。
指针的管理对于FIFO的正确运作至关重要,尤其是在处理指针回绕(wrap-around)的情况,即当指针达到FIFO的末端并需要回到起始位置时。

状态指示:
FIFO通常会提供一些状态信息,如空标志和满标志,以指示是否可以进行读取或写入操作。
空标志表示FIFO中没有数据可供读取,而满标志则表示FIFO中没有空间可供写入新数据。


FIFO的这种工作方式使得它非常适合用作数据缓冲区,尤其是在生产者(数据写入方)和消费者(数据读取方)操作速度不匹配的情况下。它可以平滑两者之间的速度差异,确保数据的顺序性和完整性,同时避免了数据的丢失或覆盖。
 

FIFO在FPGA中的应用

数据缓存:
在FPGA设计中,FIFO常用于数据缓存,以解决数据生产者和消费者之间速度不匹配的问题。例如,当一个高速数据源需要与低速的处理单元接口时,FIFO可以暂存高速数据源产生的数据,直到低速处理单元准备好接收数据。
FIFO还可以用于跨时钟域的数据传输,确保数据在不同的时钟频率下正确传递,避免由于时钟偏差导致的亚稳态问题。

串行转换:
在FPGA中,FIFO经常用于串行和并行数据之间的转换。例如,当需要将串行数据转换为并行数据进行处理时,可以先将串行数据存入FIFO,然后再从FIFO中按并行方式读取出来。
同样,如果需要将并行数据转换为串行数据发送出去,可以先将并行数据写入FIFO,然后逐个从FIFO中读取并发送。

接口设计:
在FPGA的接口设计中,FIFO用于实现不同数据宽度或不同协议之间的接口适配。例如,在UART串口通信中,FIFO可以用来缓存接收到的数据,或者暂存待发送的数据。
FIFO还可以用于实现异步接口,即在FPGA内部使用一个时钟域,而与外部设备通信时使用另一个时钟域。在这种情况下,异步FIFO可以确保数据在两个不同时钟域之间正确传输。
通过这些应用,FIFO在FPGA设计中起到了至关重要的作用,它不仅提高了设计的灵活性和效率,还确保了数据传输的可靠性和稳定性。
 

FIFO的设计与实现

同步FIFO与异步FIFO:

同步FIFO:读写操作使用相同的时钟信号。这意味着数据的写入和读取都是在同一个时钟沿上进行的,简化了时序设计。同步FIFO适用于读写模块工作在相同时钟域的情况。
异步FIFO:读写操作使用不同的时钟信号。这使得异步FIFO能够在不同的时钟域之间传输数据,适用于跨时钟域的数据交换场景。

设计步骤:
1,确定FIFO参数:包括数据宽度、FIFO深度、读写时钟频率等。
2,状态机设计:设计状态机来管理FIFO的状态,如空闲、读、写、满、空等状态。
3,控制逻辑:设计控制逻辑来处理读写请求,更新读写指针,以及生成空和满的标志信号。
4,数据通路:设计数据通路来实现数据的写入和读取操作。

实现细节:
1,指针管理:确保读写指针正确更新,特别是在指针回绕时。对于异步FIFO,通常使用格雷码来减少亚稳态的风险。
2,溢出检测:设计机制来检测FIFO是否已满,以防止数据溢出。在读写指针相等时,FIFO为空;在写指针追上读指针时,FIFO为满。
3,同步策略:对于异步FIFO,需要设计合适的同步策略来同步读写指针,以避免时序问题。
在设计FIFO时,还需要考虑到功耗、面积和时序性能的平衡,以及在不同工艺节点下的实现差异。此外,对于一些复杂的应用场景,可能还需要考虑错误检测和纠正机制。

FIFO的高级特性

FIFO,除了基本的先进先出数据存取特性外,还有一些高级特性,这些特性使得FIFO在各种复杂系统中更加灵活和强大。以下是一些FIFO的高级特性:

1,双端口FIFO:
双端口FIFO允许同时进行读写操作,这意味着数据的写入和读取可以独立进行,互不干扰。这在需要高吞吐量和高并发性的系统中非常有用。
2,深度指示器:
深度指示器可以提供FIFO当前存储的数据量信息。这对于流量控制和避免溢出非常重要,尤其是在数据生产者和消费者的速度差异较大的情况下。
3,错误检测与纠正:
一些高级的FIFO设计包含了错误检测和纠正机制,可以在数据传输过程中检测到错误并进行修正,提高系统的可靠性。
4,异步复位:
异步FIFO通常配备有异步复位功能,可以在任何时候重置FIFO的状态,而不受时钟信号的限制。
可配置的读写位宽:
一些FIFO支持可配置的读写位宽,这意味着可以根据需要调整数据的宽度,以适应不同的数据格式和协议。
5,阻塞与非阻塞操作:
阻塞FIFO在尝试从空FIFO读取数据或向满FIFO写入数据时会暂停操作,直到可以进行为止。非阻塞FIFO则不会暂停,而是立即返回一个错误或空值。
6,优先级控制:
在一些FIFO设计中,可以通过优先级控制来决定数据的读取顺序,这在需要优先处理某些数据项的系统中非常有用。
7,动态深度调整:
一些FIFO允许动态调整其深度,这意味着可以根据系统需求在运行时增加或减少FIFO的容量。
这些高级特性使得FIFO能够更好地适应复杂的系统要求和环境变化,提供了更高的灵活性和更强的功能。在设计FIFO时,根据具体的应用场景和性能要求选择合适的特性是非常重要的。


总结


综上所述,FIFO在FPGA设计中不仅是数据传输和存储的关键组件,也是实现高效、稳定和灵活系统设计的重要手段。了解和掌握FIFO的设计与应用,对于FPGA设计来说是非常必要的。
 

希望本篇文章可以有助于读者学习FIFO,感谢支持。

标签:读取,FPGA,写入,FIFO,数据,必修课,指针
From: https://blog.csdn.net/2401_83792229/article/details/140188070

相关文章

  • 【LeetCode 0232】【设计】用FILO栈实现FIFO队列
    ImplementQueueusingStacksImplementafirstinfirstout(FIFO)queueusingonlytwostacks.Theimplementedqueueshouldsupportallthefunctionsofanormalqueue(push,peek,pop,andempty).ImplementtheMyQueueclass:*voidpush(intx)Pushes......
  • FPGA学习网站推荐
    FPGA学习网站推荐本文首发于公众号:FPGA开源工坊引言FPGA的学习主要分为以下两部分语法领域内知识做FPGA开发肯定要首先去学习相应的编程语言,FPGA开发目前在国内采用最多的就是使用Verilog做开发,其次还有一些遗留下来的项目会采用VHDL做开发,现在有一部分公司也开始使用Syst......
  • 芯片验证 | FPGA 原型验证
    更多完整内容访问:【芯片验证|FPGA原型验证】......
  • FPGA内部资源(一)DSP48E1
    一、实验过程中发现的问题使用ISE进行项目的实现时出现以下错误。意思很简单,就是使用DSP48E1的数量超出限制,因为没有接触过DSP48E1,所以尝试了很多错误的方法后,我找到项目下的.mrp文件,里面有一行显示NumberofDSP48E1s:496outof480103%,也就是说我使用的XC6V1x......
  • 用verilog/systemverilog 设计fifo (2)
    目录异步fifo实现中要解决的问题信号同步到那个时钟域读写指针转化为格雷码格雷码表示的读写地址如何判断空满?异步fifoverilog代码异步fifo实现中要解决的问题异步fifo和同步fifo功能相似,但是它的读写由两个时钟信号控制,所以它的设计和同步fifo不同,需要考虑更多的因素。信号......
  • 『FPGA通信接口』LVDS接口(4)LVDS接收端设计
    文章目录1.LVDS接收端概述2逻辑框图3.xapp855训练代码解读4.接收端发送端联调5.传送门1.LVDS接收端概述接收端的传输模型各个属性应该与LVDS发送端各属性一致,例如,如果用于接收CMOS图像传感器的图像数据,则接收端程序的串化因子、通道个数等将要与设备一致。在硬件设......
  • 课程设计——基于FPGA的交通红绿灯控制系统(源代码)
    摘要:        本课程设计旨在设计一个基于FPGA(现场可编程门阵列)的交通红绿灯控制系统。该系统模拟了实际道路交叉口的红绿灯工作场景,通过硬件描述语言(如Verilog或VHDL)编写源代码实现。系统包含三个主要部分:红绿灯显示模块、计时控制模块以及状态切换模块。红绿灯显示模......
  • FIFO in C
    /*fifo.c Description:ImplementsaFIFObufferLicense:RevisedBSDLicense,seeLICENSE.TXTfileincludeintheprojectMaintainer:MiguelLuisandGregoryCristian*/#include"fifo.h"staticuint16_tFifoNext(Fifo_t*fifo,uint16_tind......
  • FPGA/ZYNQ:Sobel边缘检测
    一、简述边缘检测是图像处理和计算机视觉中的基本问题,边缘检测的目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。图像边缘检测大幅度地减少了数据量,并且剔除了可以认为不相关的信息,保留了图像重要的结构属性。所谓边缘是指其周围像素灰度急剧变化的那些像素的集合,它是图像最基本的特征。......
  • 基于FPGA的超声波(HC-SR04)测距系统设计---第一版
    欢迎各位朋友关注“郝旭帅电子设计团队”,本篇为各位朋友介绍基于FPGA的超声波(HC-SR04)测距系统设计---第一版 功能说明: 1.利用HC-SR04超声波模块进行测距。 2.在数码管上面显示测量出来的距离。 3.数码管显示精度为cm。  4.测量结果进行滑动均值处理(窗口长度为:4)......