基于Verilog HDL语言与双体存储器的交替读写机制实现32X8 FIFO设计

对基于单体存储器的FIFO,作为一种数据缓冲器,其数据存放结构和RAM是一致的,只是存取方式有所不同。因RAM中的各存储单元可被随机读写,故FIFO的队首位置及队列长度均可浮动。为此,需要用两个地址寄存器,分别存储读地址(即队首元素地址)和写地址(即队尾元素地址加1)。在读写过程中FIFO所存储的信息并不移动,而是通过改变读地址或写地址来指示队首队尾。

本32X8 FIFO的设计,采用了双体存储器的交替读写机制,使得在对其中一个存储器写操作的同时可以对另一个存储器进行读操作;对其中一个存储器读操作的同时可以对另一个存储器进行写操作。实现了高速数据缓冲,速度比单体存储器的FIFO提高了一倍。

1　指针以及满空信号的产生

空/满标志的产生是FIFO的核心部分。如何正确设计此部分的逻辑,直接影响到FIFO的性能。

对于同步FIFO,读写指针都指向一个内存的初始位置,每进行一次读写操作,相应的指针就递增一次,指向下一个内存位置。当指针移动到了内存的最后一个位置时,它又重新跳回初始位置。在FIFO非满或非空的情况下,这个过程将随着读写控制信号的变化一直进行下去。如果FIFO处于空的状态,下一个读动作将会导致向下溢出(underflow),一个无效的数据被读出;同样,对于一个满了的FIFO,进行写动作将会导致向上溢出(overflow),一个有用的数据被新写入的数据覆盖。这两种情况都属于误动作,因此需要设置满和空两个信号,对满信号置位表示FIFO处于满状态,对满信号复位表示FIFO非满,还有空间可以写入数据;对空信号置位表示FIFO处于空状态,对空信号复位表示FIFO非空,还有有效的数据可以读出。当读指针和写指针相等也就是指向同一个内存位置的时候,FIFO可能处于满或空两种状态。可以通过不同的方法判断或区分FIFO究竟是处于满状态还是空状态,也就是究竟是写指针从后赶上了读指针,还是读指针从后赶上了写指针。

本文所应用的方法是分别将读、写地址寄存器扩展一位,将最高位设置为状态位,其余低位作为地址位,指针由地址位以及状态位组成。巧妙地应用地址位和状态位的结合实现对空、满标志位的控制。当读写指针的地址位和状态位全部吻合的时候,读写指针经历了相同次数的循环移动,也就是说,FIFO处于空状态(图1(a));如果读写指针的地址位相同而状态位相反,写指针比读指针多循环一次,标志FIFO处于满状态(图1(b))。

图1　FIFO处于的状态

2　32X8FIFO系统结构

本文介绍的32X8FIFO设计采用了双体存储器(FIFOMemory)结构(如图2)。每个FIFOMemery中都有一个16X8的RAM,rd-cntr3: 和wr-cntr3: 分别作为读、写地址,rd-cntr和wr-cntr分别作为读、写状态位。对整个系统,当写信号(wrN)有效,数据将写入FIFO,且交替写入这两个分立的存储器。当读信号(rdN)有效,数据将被读出FIFO,且交替从这两个分立的存储器读出。对基于单体存储器的FIFO,在读操作的同时不能有任何的写操作,只能在读操作结束后再进行写操作。本文应用的交替读写机制使得32X8 FIFO具有可以同时读写的能力,即对一个存储器读操作的同时可以对另一个存储器写操作;对一个存储器写操作的同时可以对另一个存储器读操作。32X8 FIFO Data Path的结构框图如图3所示。其结构中有两个分立的存储器FIFOmem(even)和FIFOmem(odd)。FIFO cntrl模块控制对这两个分立存储器的读、写操作。而整个系统的空、满标志位分别由FIFOmem(even)和FIFOmem(odd)中的空、满标志位mem_full_even、mem_empty_even、mem_full_odd和mem_empty_odd来实现。其中rdN和wrN为整个系统的读写控制信号,rstN为FIFO复位信号。同时可以看出32X8 FIFO共有3个周期的延时:输入寄存器,FIFOMemery和输出寄存器延时,存取速度快。

图2　FIFOMemory结构框图

图3　32X8FIFODataPath结构框图

3　32X8FIFO的Verilog HDL实现

硬件描述语言Verilog HDL是一种广泛应用于集成电路设计的高层次描述语言,适合行为级、寄存器传输级和门级等多层次的设计和描述,并且具有简单、易读、易修改和与工艺无关等优点。因此利用Verilog HDL语言进行电路设计可以节约开发成本和周期。

此32X8FIFO各个部分均采用Verilog HDL代码实现。限于篇幅,下面仅列出FIFOMemery模块的程序清单。整个

32X8FIFO设计应用全球著名EDA软件供应商Synopsys公司的DesignCompiler进行了逻辑综合,并应用Synopsys公司的仿真软件VCS做了仿真验证。(VCS是Synopsys公司的VerilogHDL仿真软件) FIFO Memery模块程序清单如下:

module fifo_mem(data,clk,rstN,wrN,rdN,empty,full);

inout [7:0] data;

input clk,rstN,wrN,rdN;

output empty,full;

reg [4:0]  _cntr,rd_cntr;

wire [3:0] add;

ram16X8 ram(.data(data),.addr(addr),.wrN(wrN),.oe(wrN));

always @(posedge clk or negedge rstN)

if(!rstN) wr_cntr<=0;

else if (!wrN) wr_cntr<=wr_cntr+1;

always @ (posedge clk or negedge rstN)

if(!rstN) rd_cntr<=0;

else if(!rdN) rd_cntr<=rd_cntr+1;

assign addr=wrN?rd_cntr [3:0]: wr_cntr [3:0];

assign empty=(wr_cntr [3:0] == rd_cntr [3:0])&&!(wr_cntr[4]^rd_cntr[4]);

assign full=(wr_cntr [3:0] ==rd_cntr [3:0])&&(wr_cntr[4]^rd_cntr[4]);

endmodule

4　结语

本文通过两个分立存储器间的交替读、写机制,实现32X8 FIFO的可同时读、写功能,提高了数据存取的速度,并且提出了新颖的空、满标志位的实现方法。采用Verilog HDL硬件描述语言进行电路设计,应用Synopsys公司的DesignCompiler和VCS进行电路综合和仿真,电路功能得到验证。