基于FPGA的异步FIFO设计

摘 要：设计完成了一种基于FPGA的异步FIFO，运用Verilog HDL高级可编程语言和原理图相结合的设计方法实现FIFO读、写控制算法和数据查询、存储中断模块。运用时钟同步技术，解决了FIFO设计中亚稳态和竞争冒险的难点。最后采用QuartusII9.0设计仿真验证了该设计，测试结果表明该方案工作原理简单，性能稳定可靠。

关键词：FIFO FPGA 数据采集

1、引言

异步FIFO作为数据采集和存储的关键组成部分之一，在数据采集系统中发挥着举足轻重的作用。在传统设计方法中，常常采用微处理器和具有FIFO功能的专用RAM芯片实现异步FIFO，达到数据的高速采集和存储功能，其系统成本较高，实现起来较困难[1]。而FPGA作为一种集成度很高的设计芯片，可以将微处理器和RAM集成到一块FPGA上，大大简化了系统设计流程，降低了系统成本和设计风险。运用VerilogHDL高级可编程语言和原理图设计相结合的方法，选定Altera公司Cyclone III系列FPGA作为设计平台，设计完成了一种稳定可靠的异步FIFO。

2、设计方案

本文提出了一种异步FIFO的设计方案，系统主要由FIFO控制模块、读/写地址信号产生模块和RAM模块组成，其中：

1）FIFO控制模块为整个系统的核心，实现了与上位机的数据通讯、RAM的数据读写和控制、读/写地址信号产生单元的控制、外部数据的采集，以及保证整个系统可靠稳定的工作，其中，外部数据的采集采用中断处理的方式，当接收到外部数据储存中断申请，提供握手信号；如果连接成功，则将数据存储到RAM中；与上位机通讯同样采取中断查询的方式，当接收到上位机数据查询请求，提供握手信号，如果连接成功，则发送RAM中的数据到上位机；同时，对读、写地址信号产生模块的控制以及内部读、写指针均采用时钟同步技术，保证每次进行数据读写时，地址信号处于稳定状态，保证了时序，提高了系统性能。

2）读、写地址信号产生模块为RAM提供地址信号，采用二进制计数器，与FIFO控制模块的通讯采用了时钟同步技术，避免了系统的亚稳态现象，提高了系统的安全性和稳定性。

3）RAM作为系统数据的存储器，用于中间数据的存储。

3、主要模块设计

3.1 FIFO控制模块

FIFO控制模块为整个系统的核心，主要完成的功能包含以下四个方面：

1）与上位机的通讯

提供中断接口，控制模块接收到上位机中断数据查询请求之后，根据FIFO控制算法判断是否可以读取数据，如果可以，则经过数据处理，将数据提供给上位机，并提供握手信号，提示上位机可以读取数据。

2）外部数据采集的通讯

提供中断接口，控制模块接收到外部数据存储请求，根据FIFO控制算法判断是否可以存储数据，如果可以，则经过数据处理，将数据存储到RAM中，并提供握手信号，提示数据已经存储完毕，可以进行下次存储。

3）RAM的数据交换控制

通过算法，控制RAM的数据读写，协调系统各个部分的工作，保证系统各个部分满足时序要求，按照设定的流程工作。

4）读/写地址信号产生模块的时钟信号

提供地址信号产生模块所需要的时钟信号和复位信号。经过算法计算，判定当前地址是否增加1或者复位。

控制时序：系统上电，发送复位信号RET，系统完成初始化，等待接收系统外部读取、存储中断信号。

当接收到中断存储信号DatInFlag，首先判断是否可以进行写入数据，如果不行，则丢失该中断信号；如果可以，则进行算法计算，通知写地址信号产生单元得出当前的存储地址WrAddr[15：0]，并且将需要的输入数据DatIn[7：0]准备好输出到RAM的数据输入口上，然后给出RAM写信号时钟WrClk=1，将数据输入到RAM中，并回复握手信号ReWrEn。

当接收到中断读取信号DatOutFlag，首先判断是否可以进行读取数据，如果不可以，则丢失该中断信号；如果可以，则进行算法计算，通知读地址信号产生单元得出当前的存储地址WrAddr[15：0]，然后给出RAM读信号时钟RdClk=1，数据读出，然后输出到通讯模块，并回复握手信号ReRdEn，提示上位机读取。

3.2 地址信号产生模块

读地址信号产生模块和写地址信号产生模块均采用16位2进制计数器，且实现原理基本一样。FPGA设计中，广泛存在亚稳态现象，它会使系统出现临界状态，导致系统不稳定，甚至崩溃。常见设计中，采用格雷码计数器用于读、写指针和地址信号产生，在本设计中为了简化设计流程，采用2进制计数器加时钟同步设计的方法，在计数器地址信号的输出端，经过一个计数器将地址信号同步输出到RAM模块，并且读、写RAM时钟信号RdClk 、WrClk均采用系统时钟同步，且比地址信号多同步输出一个时钟脉冲周期，保证了信号RdClk、WrClk与地址信号之间不会存在临界状态。同时RAM的数据信号输出也采用了时钟同步技术，将数据输出也进行了相应的同步，大大提高了系统稳定性。

3.3 RAM模块

Quartus II软件提供了软件IP核，直接通过软件进行简单的配置调用即可。如图3所示，该模块为系统自动生成的RAM模块。

4、设计实现与仿真验证

以Altera公司Cyclone III系列的一款FPGA为设计平台，基于QuartusII7.2设计软件，采用VerilogHDL高级可编程语言和原理图相结合的设计模式。并且该方案可以无需更改任何代码即可移植到Altera公司其它系列FPGA上。

系统分为三个大的部分，FIFO控制模块、读、写地址信号产生单元和RAM，其中设计的重点和难点是FIFO控制模块，在FIFO控制模块设计中，采用状态机的设计方式，使各个功能都按照设计好的时序工作，强化了系统的执行状态、同步了工作时序、提高了系统稳定性，但需要注意的是降低了系统的执行速度，从仿真波形图，可以看出系统存储和读取的速度大约为400ns/字节。

中断存储：系统采集到外部数据中断存储信号ReWrFlag，然后经过计算，如果可以进行数据存储，则提供RAM模块写时钟WrClk两个脉冲，第一个脉冲将地址信号输入到RAM，第二个脉冲将数据写入到RAM，完成数据存储。

中断查询：系统采集到上位机数据中断查询信号ReRdFlag，然后经过计算，如果可以进行数据读取，则提供RAM模块读时钟WrClk两个脉冲，第一个脉冲将地址信号输入到RAM，第二个脉冲将数据写输出到数据总线，完成数据读取。

注意：当上位机一直提供中断查询信号，若此时RAM中的数据已经读取完毕，则不再提供RAM读时钟信号，不进行RAM读操作，且系统输出Empty=1，表示RAM中已经没有数据，系统重新开始等待。

5、结束语

本文简要分析和介绍了一种基于FPGA的异步FIFO的设计原理和方法，分成几个模块，其中详细地介绍了FIFO控制核心模块的设计，最后选择Altera公司Cyclone系列FPGA为设计平台，运用QuartusII9.0的时序仿真模块对该设计方法进行了仿真验证。测试结果表明该设计方法设计简单灵活，易于实现，大大简化了设计流程，降低了设计成本与风险，是一个值得推广和应用的方法。

参考文献：

[1]高礼忠. FIFO在高速数据采集系统中应用[J]. 电子测量技术， 2005（1）.

[2]刘凤伟. 一种并行异步FIFO控制算法设计[J]. 微处理机， 2012（4）.