異步FIFO的VHDL設(shè)計

1、異步FIFO的VHDL設(shè)計        摘要：給出了一個利用格雷碼對地址編碼的羿步FIFO的實現(xiàn)方法，并給出了VHDL程序，以解決異步讀寫時鐘引起的問題。     關(guān)鍵詞：FIFO 雙口RAM 格雷碼 VHDLFIFO（先進(jìn)先出隊列）是一種在電子系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的器件，通常用于數(shù)據(jù)的緩存和用于容納異步信號的頻率或相位的差異。FIFO的實現(xiàn)通常是利用雙口RAM和讀寫地址產(chǎn)生模塊來實現(xiàn)的。FIFO的接口信號包括異步的寫時鐘（wr_clk）和讀時鐘（rd_clk）、與寫時鐘同步的寫有效（w

2、ren）和寫數(shù)據(jù)（wr_data）、與讀時鐘同步的讀有效（rden）和讀數(shù)據(jù)（rd_data）。為了實現(xiàn)正確的讀寫和避免FIFO的上溢或下溢，通常還應(yīng)該給出與讀時鐘和寫時鐘同步的FIFO的空標(biāo)志（empty）和滿標(biāo)志（full）以禁止讀寫操作。1 異步FIFO功能描述圖1給出了FIFO的接口信號和內(nèi)部模塊圖。由圖1可以看出，寫地址產(chǎn)生模塊根據(jù)寫時鐘和寫有效信號產(chǎn)生遞增的寫地睛，讀地址產(chǎn)生模塊根據(jù)讀時鐘和讀有效信號產(chǎn)生遞增的讀地址。FIFO的操作如下：在寫時鐘wr_clk的升沿，當(dāng)wren有效時，將wr_data寫入雙口RAM中寫地址對應(yīng)的位置中；始終將讀地址對應(yīng)的雙口RAM中的數(shù)據(jù)輸出到讀數(shù)據(jù)

3、總線上。這樣就實現(xiàn)了先進(jìn)先出的功能。    寫地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址關(guān)系產(chǎn)生FIFO的滿標(biāo)志。當(dāng)wren有效時，若寫地址+2=讀地址時，full為1；當(dāng)wren無效時，若寫地址+1=讀地址時，full為1。讀地址產(chǎn)生模塊還根據(jù)讀地址和寫地址的差產(chǎn)生FIFO的空標(biāo)志。當(dāng)rden有效時，若寫地址-1=讀地址時，empty為1；當(dāng)rden無效時，若寫地址=讀地址時，empty為1。按照以上方式產(chǎn)生標(biāo)志信號是為了提前一個時鐘周期產(chǎn)生對應(yīng)的標(biāo)志信號。由于空標(biāo)志和滿標(biāo)志控制了FIFO的操作，因此標(biāo)志錯誤會引起操作的錯誤。如上所述，標(biāo)志的產(chǎn)生是通過對讀寫地址的比較產(chǎn)生

4、的，當(dāng)讀寫時鐘完全異步時，對讀寫地址進(jìn)行比較時，可能得出錯誤的結(jié)果。例如，在讀地址變化過程中，由于讀地址的各位變化并不同步，計算讀寫地址的差值，可能產(chǎn)生錯誤的差值，導(dǎo)致產(chǎn)生錯誤的滿標(biāo)志信號。若將未滿標(biāo)志置為滿標(biāo)志時，可能降低了應(yīng)用的性能，降低寫數(shù)據(jù)速率；而將滿置標(biāo)志置為未滿時，執(zhí)行一次寫操作，則可能產(chǎn)生溢出錯誤，這對于實際應(yīng)用來說是絕對應(yīng)該避免的。空標(biāo)志信號的產(chǎn)生也可能產(chǎn)生類似的錯誤。2 異步FIFO的改進(jìn)設(shè)計從以上分析中可以看出，異步FIFO之所以會發(fā)生錯誤是國為在地址變化時，由于多位地址各位變化時間不同，異步時鐘對其進(jìn)行采樣時數(shù)值可能為不同于地址變化喪后數(shù)值的其他值，異步產(chǎn)生錯誤的空標(biāo)志和

5、滿標(biāo)志，以致于產(chǎn)生FIFO的操作錯誤。格雷碼是一種在相鄰計數(shù)值之間只有一位發(fā)生變化的編碼方式。可以看出，若讀寫地址采用格雷碼編碼方式，就可以解決上面的問題。為了應(yīng)用的靈活，還增加了兩個標(biāo)志信號，將滿（almosf_full）標(biāo)志和空（almost_empty）標(biāo)志分別定義如下：當(dāng)寫地址與讀地址的距離小于某個預(yù)先定義數(shù)值時，almost_full為1；當(dāng)讀地址與寫地址的距離小于這個預(yù)先定義的數(shù)值時，almost_empty為1。3 異步FIFO的VHDL實現(xiàn)硬件描述語言VHDL（Very-high speed IC Hardware Description Language）是一種應(yīng)用于電路設(shè)計

6、的高層次描述語言，具有行為級、寄存器傳輸級和門級等多層次描述，并且具有簡單、易讀、易修改和與工藝無關(guān)等優(yōu)點。目前VHDL語言已經(jīng)得到多種EDA工具的支持，綜合工具得到迅速發(fā)展，VHDL語言的行為級綜合也已經(jīng)得到支持和實現(xiàn)，因此利用VHDL語言進(jìn)行電路設(shè)計可以節(jié)約開發(fā)成本和周期。首先給出格雷碼和普通自然碼之間的轉(zhuǎn)換模塊的VHDL程序。程序1：自然碼碼到格雷碼的轉(zhuǎn)換程序entity norm_to_gery isgeneric(width:integer:=8);port(din:in std_logic_vector(width-1 downto 0);dout:out std_logic_ve

7、ctor(width-1 downto 0);end norm_to_grey;architecture norm_to_grey of norm_to_grey is begindout<=din xor('0' & din(width-1 downto 1);end norm_to_grey;程序2：格雷碼到自然碼的轉(zhuǎn)換程序process(din)variable tempd:std_logic;beginfor i in width-1 downto 0 loop tempd:='0'for j in width-1 downto i loo

8、p tempd:=tempd xor din(j);end loop;dout(i)<=tempd;end loop;end process;在給出異步FIFO的VHDL程序之前，先給出一些內(nèi)部信號的解釋：wadd 自然碼寫地址wadd_grey 格雷碼寫地址wr_radd_grey 寫時鐘采樣的格雷碼讀地址wr_radd 寫時鐘采樣的自然碼讀地址almost_length 產(chǎn)生將滿和將空標(biāo)志的予定義讀寫地址差值程序3：寫地址產(chǎn)生模塊，此程序同時產(chǎn)生寫地址的自然碼和格雷碼waddp<=wadd+1;u1:norm_to_greyport map(waddp,wadd_grey_te

9、mp);wadd_process:process(clr,wr_clk)beginif clr='0'thenwadd<=(others=>'0');wadd_grey<=(others=>'0');elsif wr_clk'event and wr_clk='1'thenif wren='1'thenwadd<=waddp;wadd_grey<=wadd_grey_temp;end if;end if;end process;程序4：滿標(biāo)志和滿標(biāo)志產(chǎn)生模塊，以8位地址為

10、例。u2:grey_to_normport map(wr_radd_grey,wr_radd_temp);process(clr,wr_clkbeginif clr='0'thenwr_radd_grey<=(others=>'0');wr_radd<=(Others=>'0')elsif wr_clk'event and wr_clk='1'thenwr_radd_grey<=radd_grey;wr_radd<=wr_radd_temp;end if;end process;wr_c

11、ompare<=wadd-wr_radd;full_process:process(clr,wr_clk)beginif clr='0'thenfull<='0'；elsif wr_clk'event and wr_clk='1'thenif(wren='1')thenif wr_compare="11111110"then full<='1'else full<='0'end if;elseif wr_compare="11111111

12、"then full<='1'else full<='0'end if;end if;end if;end process;almost_full_process:process(clr,wr_clk)beginif clr='0' thenalmost_full<='0'elsif wr_clk'event and wr_clk='1'thenif(wren='1')thenif wr_compare>("11111110"-almost_length)then almost_full<='1'else almost_full<='0'end if;elseif wr_compare>("11111111"-almost_length)then almost_full<='1'else almost_full<='0'end if;end if;end