FIFO的使用总结

使用FIFO积累

FIFO是在FPGA设计中使用的非常频繁，也是影响FPGA设计代码稳定性以及效率等得关键因素。我总结一下我在使用FIFO过程中的一些心得，与大家分享。
         我本人是做有线通信的，所做的设计中大量的使用到FIFO，用于报文的缓存。我经常使用一个FIFO存报文内容，另一个FIFO存报文的长度，两者配合使用。
         在数据连续读取时，为了能不间断的读出数据而又不导致FIFO为空后还错误的读出数据。可以将FIFO的Empty和Almost_empty以及读使能配合起来使用，来保证能够连续读，并准确的判断FIFO空满状态，提前决定是否能启动读使能。具体的实施办法是：当Empty为1，立即停止读；当Empty为0，Almost_empty为0时，可以放心读；当Empty为0，但是Almost_empty为1时，如果上一拍读使能Read也为1，那么不能读;当Empty为0，但是Almost_empty为1时，如果上一拍读使能Read为0，可以读最后一拍。
        在FIFO使用时，使用到Almost_full信号以及读写counter来控制FIFO的读满预警，如果数据不是在空满判断的下一拍写入FIFO，则设计FIFO的满预警时要小心。如果你不确定判断满预警之后要延迟多少拍才能真正写入FIFO，那么尽量让FIFO有足够满预警裕量。例如，在wr_data_count为128才是真的满了，你可以设成wr_data_count为120的时候就给出满预警，可以保证设计的可靠和安全。当然，如果你能准确的算出判断满预警与真正写入FIFO的延迟，可以用精确的满预警阈值。
      当需要使用到数据位宽转换时，如将128位的数据转换成64位的数据，最好不要用XILINX自己生成的位宽转换FIFO。可以例化两个64位的FIFO，自己控制128转64。这样可以大大的节省资源，是XILINX CORE生成的FIFO资源的一半。

（1）FIFO作为跨时钟域使用；

多bit位宽，尽量使用FIFO进行跨时钟域；如果仅仅是打两拍解决的话，会引起vivado布线困难；造成临近逻辑不稳定；

避免过约束引起的时序问题；

（2）FIFO作为数据位宽转换使用；

一般在同一时域下不必用FIFO作为位宽的转换；若跨时钟域可以采用xilinx IP进行生成对应的转换，如果在资源非常紧张的情况下，需要考虑其他的方法，减少FIFO的使用；

FIFO作为转换位宽时，高位优先出（将宽bit转窄bit）;先进置于高位（窄bit转宽bit）;

（3）FIFO优化时序

优先使用内部的RAM块实现FIFO；若为了布线可以使用分布式资源布线；RAM资源实现FIFO和调整输入输出位宽，分布式Lut资源输出位宽与输入位宽一致；

（4）FIFO的控制

通过图2、图3可以看到，FIFO可以使用full/empty/almost_full/almost_empty进行控制；读写计数值可以作为的状态机的控制值；

（5）FIFO的时序问题

FIFO根据不同的配置，读写时序一般低于450Mhz，当速率过高需要考虑布线问题；

（6）FIFO的资源使用

FIFO的summary中可以看出当前配置下，FIFO需要使用到的BRAM资源、LUT资源等；对于BRAM来说，有BRAM18K和BRAM36K,但实际上一个BRAM36K还是由两个BRAM18K合并实现；

（7）端口的时钟域

参看FIFO官方手册体现了读写端口的时钟域分布。

图1： FIFO实现类型

图2：可配置的full/empty

图3：读写计数

图4：FIFO详细summary