Quartus Ⅱ调用FIFO IP核方法实现求和（Mega Wizard）

摘要：本次实验学习记录主题为“FIFO_IP核实现算术求和”，主要内容是上位机通过串口向FPGA发送一定规格的数字矩阵，FPGA对矩阵处理，按规定逻辑实现求和运算，将结果返回串口转发至上位机。

芯片型号：cyclone Ⅳ EP4CE10F17C8

平台工具：Quartus II 15.0 (64-bit)、Modelsim SE-64 10.4

最终框图：

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【FIFO IP核概述及调用】

FIFO（First In First Out，先入先出） IP核作为数据缓冲区，能临时存储从数据源接收的数据，直到数据被其他处理单元再次读取。FIFO IP核通常用于多比特数据的跨时钟域处理以及前后带宽不同步情况，平衡数据源和处理单元之间的速度差异，同时减少因速率不匹配而导致的等待时间或数据丢失。

FIFO IP核支持同步（SCFIFO）和异步（DCFIFO）操作模式，在同步模式下，读写操作在同一时钟域下进行。其支持可配置的参数（如数据宽度、深度等，调整以适应不同的需求。针对不同模式的选择，需要考虑方面包括时钟源、存取位宽和深度、以及一系列辅助设计的标志信号和操作信号。

下图为Quartus Ⅱ构建IP核能产生的全部接口，同步模式下，除了基本的外接口如数据位、时钟、写标志和读标志、计数位usedw外，还有清零操作（同步sclr/异步aclr）、满/近满/空/近空/校检eccstatus信号。而异步模式下，对于入栈和出栈辅助设计的分为了两批，具体结构如下图。

访问IP Catalog：在Quartus Ⅱ的菜单栏中，点击“Tools”选项，然后选择“IP Catalog”或者“MegaWizard Plug-In Manager”，打开“fifo”选项即可。FIFO配置流程分为三部分：parameter settings、EDA和summary。如下图的配置界面，在其左上可以实时看到配置产生的接口，左下角看到FIFO在FPGA所产生的资源消耗。

在配置完基本参数后，FIFO还支持功能等设置趋向，rdreq读取驱动：信号作为请求，数据滞后一个时钟周期输出；信号作为确认，数据同时输出。存储方式和最大深度选择自动匹配即可。FIFO性能支持最大速度和最小消耗资源空间两种，可根据具体工程需求选定。黄色方框内是上级检测和下级检测保护电路，即存储栈满和栈空情况下的继续操作保护，最小面是存储空间位置选择，这里默认选定内部存储块即可。

异步模式下，还需配置速度和稳定性的优化方式，一是保持最低延迟，但需要同步时钟，没有亚稳态保护，占用资源空间最小，提供良好性能；二是具备两个同步阶段和良好的亚稳态保护，资源空间消耗中等；三是提高最佳的亚稳态保护，具有三个或更多同步阶段。

【IP核的同步、异步调用及仿真验证】

首先，构建一个同步FIFO_IP核，具体配置如下：

almost_empty_value = 20,	//近空阈值
almost_full_value = 220,	//近满阈值
intended_device_family = "Cyclone IV E",	//FPGA IP核型号
lpm_numwords = 256,			//FIFO深度
lpm_showahead = "OFF",		//rdreq模式选择
lpm_type = "scfifo",		//FIFO工作模式（同步，单时钟模式）
lpm_width = 8,				//时钟源同步下，进入FIFO位宽
lpm_widthu = 8,				//计数位宽

IP的直接调用inst.v模块文件即可，实例化应用后，通过一个简单的录入核/退出核仿真（如下两图）。可以看到，程序启动，持续向核内写入256个8bit数据，仿真设定，写入周期是读入周期的四倍。

计数到20时，退出近空阈值，近空信号拉低；计数到220，达到近满阈值，近满信号拉高，等到写入完毕（这里计数单元usedw_sig溢出，显示8'h00），满信号拉高。下一周期，读标志拉高，读取一个8bit数据后，满信号拉低，持续读取完毕。

构建一个异步混合FIFO_IP核，具体配置如下：

add_usedw_msb_bit = "ON",	//为计数位扩充一位，避免溢出
intended_device_family = "Cyclone IV E",	//FPGA IP核型号
lpm_numwords = 256,			//FIFO深度
lpm_showahead = "OFF",		//rdreq模式选择
lpm_type = "dcfifo_mixed_widths",	//混合异步fifo模式，意思是录入核和退出核位宽不一致
lpm_width = 8,				//录入核位宽
lpm_widthu = 9,				//计数位宽+1 = 9
lpm_widthu_r = 8,			//读取退出核位宽
lpm_width_r = 16,			//读取退出核计数位宽

异步模式，需要关注时序上的同步（打了两拍），50MHz的写时钟wrclk，25MHz的读时钟rdclk。这里由于写位宽和读位宽的不同，要区别写计数和读计数的计数方式。

【调用FIFO实现求和运算】

调用Quartus Ⅱ的IP核实现普通求和运算（便于Sobel算法FPGA学习），左边是求和模块的框图，需要复用两个相同位宽及深度的FIFO IP核，以m x n（5x4）矩阵为例，先对上三行求运算后，持续向下降一行运算，形成一个新的矩阵(m-2) x n形式。

FPGA运算：pi_data持续接入数据，先将第一、二行数据分布存入FIFO 1核和2核内，在第三行数据开始，同步读取两核一个数据，并对其作求和运算，通过po_data输出。求和的同时，将FIFO 2核内数据写入1核（1、2核此时为空），即第二行充当原先的第一行。第三行写入2核，第四行持续运算.......

时序图如下，pi_flag和pi_data是串口rx模块接收上位机处理后的数据，录入此fifo_disp模块。矩阵的列和行计数器cnt_row和cnt_rol作为的顺序标志，方便确认求和准备。dout_flag条件(wr_en2)&&(rd_en)，标志建立用于1核数据再次写入。借入标志信号sum_flag，触发求和po_data=data_out1+data_out2+pi_data。

对应的各信号时序条件处理，代码如下：

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose cnt_row counter
    if(!sys_rst)	cnt_row <=  8'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX)&&(pi_flag))	cnt_row <=  8'd0;
    else    if(pi_flag)	cnt_row <=  cnt_row + 1'b1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose cnt_col counter
    if(!sys_rst)	cnt_col <=  8'd0;
    else    if((cnt_col == CNT_COL_MAX)&&(pi_flag)&&(cnt_row == CNT_ROW_MAX))
        cnt_col <=  8'd0;
    else    if((cnt_row == CNT_ROW_MAX)&&(pi_flag))cnt_col <=  cnt_col + 1'b1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose wr_en1 drive
    if(!sys_rst)	wr_en1  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col == 8'd0) && (pi_flag))	wr_en1  <=  1'b1;
    else	wr_en1  <=  dout_flag;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose data_in1 sequence
    if(!sys_rst)	data_in1  <=  8'd0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col == 8'd0))	data_in1  <=  pi_data;
    else    if(dout_flag == 1'b1)	data_in1  <=  data_out2;
    else	data_in1  <=  data_in1;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose wr_en2 drive
    if(!sys_rst)	wr_en2  <=  1'b0;
    else    if((cnt_col >= 8'd1)&&(cnt_col <= CNT_COL_MAX - 1'b1)&&(pi_flag))
        wr_en2  <=  1'b1;
    else	wr_en2  <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose data_in2 sequence
    if(!sys_rst)	data_in2  <=  8'b0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col >= 8'd1)&&(cnt_col <= (CNT_COL_MAX - 1'b1)))
        data_in2  <=  pi_data;
    else	data_in2  <=  data_in2;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose rd_en drive
    if(!sys_rst)	 rd_en <=  1'b0;
    else    if((pi_flag)&&(cnt_col >= 8'd2)&&(cnt_col <= CNT_COL_MAX)) rd_en <=  1'b1;
    else	rd_en <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose dout_flag sequence
    if(!sys_rst)	dout_flag <=  0;
    else    if((wr_en2)&&(rd_en))	dout_flag <=  1'b1;
    else	dout_flag <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose sum_flag sequence
    if(!sys_rst)	sum_flag <=  1'b0;
    else    if(rd_en)	sum_flag <=  1'b1;
    else    sum_flag <=  1'b0;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose po_data result
    if(!sys_rst)	po_data  <=  8'b0;
    else    if(sum_flag)	po_data  <=  data_out1 + data_out2 + pi_data;
    else	po_data  <=  po_data;
end

always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst)begin	//dispose po_flag sequence
    if(!sys_rst)	po_flag <=  1'b0;
    else 	po_flag <=  sum_flag;
end

仿真分析：很明显，仿真图与上面的时序图一致，tx、rx模块在之前的实验经过仿真验证了。

最后，将程序下载至开发板，得到的数据与仿真结果一样，简单做了两次测试，结果都正确。

文献参考：

[1] FIFO求和实验 野火FPGA Verilog开发实战指南——基于Altera EP4CE10 征途Pro开发板 文档 (embedfire.com);

[2] 掰开揉碎讲 FIFO（同步FIFO和异步FIFO） - Doreen的FPGA自留地 - 博客园 (cnblogs.com)；

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本篇文章中使用的Verilog程序模块，若有需见网页左栏Gitee仓库链接：https://gitee.com/silly-big-head/little-mouse-funnyhouse/tree/FPGA-Verilog/