FPGA廠商提供了豐富的IP核，基礎性IP核都是可以直接免費調用的，比如FIFO、RAM等等。

本文主要介紹FIFO的一些基礎知識，幫助大家能夠理解FIFO的基礎概念。

一、FIFO介紹

FIFO全稱是First In First Out，即先進先出。

FIFO是一個數據緩存隊列，主要特點就是數據順序寫入，再按照同樣的順序輸出數據，即先進去的數據先被取出來。

1、FIFO的通俗理解

FIFO可以類比一個水池。

當寫通道打開時，就相當于往水池里加水；而當讀通道打開時，就相當于從水池中放水。

如果持續不斷地加水和放水，如果加水速度超過了放水速度，那么水池就會滿了，這時FIFO就會發生溢出，水會溢出水池。

相反，如果放水速度快于加水速度，那么水池就會變空，FIFO就會出現空的情況。

2、FIFO的分類

根據FIFO輸入時鐘的區別，可以分為同步FIFO和異步FIFO。

同步 FIFO 只有一個獨立的時鐘端口 clock，所有的輸入輸出信號都同步于 clock 信號。

異步FIFO有兩個時鐘，寫端口和讀端口分別有獨立的時鐘，所有寫相關的信號都是屬于寫時鐘，所有與讀相關的信號都屬于讀時鐘。

3、FIFO IP

FIFO一般不需要自己去寫代碼實現，FPGA官方軟件都提供了FIFO IP，直接使用即可。

FPGA IP特性：

• 配置選項和控制手段廣泛：提供了豐富的配置選項和控制手段，可以根據用戶的需求進行靈活配置。
• 靈活的接口和支持多種數據寬度：接口設計靈活，同時支持多種不同數據寬度的操作。
• 支持多種讀寫模式：支持單寫單讀、單寫多讀、多寫單讀、多寫多讀等讀寫模式，可以適應不同的應用場景。
• 多種存儲方式：支持異步、同步等不同的存儲方式，可以根據需求選擇合適的存儲方式。
• 可配置的參數：可以配置深度、寬度、讀寫數據寬度等參數，使得用戶可以按需定制FIFO的特性。

二、FIFO的應用

FIFO的應用非常廣泛，其中同步fifo主要用于處理數據緩存，異步fifo主要用于處理跨時鐘數據傳輸處理。

常用的應用場景如下：

接口數據/消息緩沖：FIFO可以用于緩存數據或消息，以應對數據流量突發情況，同時降低或消除背壓的頻率，減小上級模塊的復雜度。

接口協議隔離：在模塊與復雜的協議進行對接時，FIFO可以作為隔離后的用戶接口，降低模塊接口協議設計復雜度，并實現協議接口的IP化，提高系統的復用性。

跨時鐘域處理：FIFO可以用于處理異步時鐘域的數據、消息和總線。通過FIFO，可以實現簡單、快速、安全的跨時鐘域處理。

數據位寬轉換：FIFO可以用于實現數據的位寬轉換，例如從512位轉換為256位。

三、FIFO的重要概念

1、主要端口

讀寫時鐘：同步FIFO是指讀時鐘和寫時鐘為同一個時鐘。異步FIFO讀寫時鐘是獨立的兩個時鐘。

讀寫使能：讀寫控制的使能

滿信號：FIFO里面的緩存數據數量達到了最大深度值

空信號：FIFO里面的緩存全部被讀空

深度：FIFO所能容納的最大數據數量

2、FIFO的存儲結構

FIFO通常采用循環存儲結構，即存儲空間是一個環形的緩沖區。

數據寫入時，從第一個寫入地址開始，依次向后寫入；數據讀取時，從第一個讀取地址開始，依次向后讀取。

當寫入數據量達到FIFO的深度時，將不能再寫入數據，此時需要停止寫入操作，等待讀取操作將數據讀出，否則將發生溢出。

同樣，當讀取數據量達到FIFO的深度時，將不能再讀取數據，此時需要停止讀取操作，等待寫入操作將數據寫入。

3、FIFO的空滿狀態

FIFO具有空標志和滿標志，用于指示FIFO的存儲狀態。

當FIFO空時，寫入操作將停止，直到FIFO非空；當FIFO滿時，讀取操作將停止，直到FIFO非滿。

空滿狀態的判斷通常采用比較讀寫指針的位置關系，例如當寫入指針等于讀取指針時，FIFO為空；當寫入指針比讀取指針多一位（達到FIFO的深度）時，FIFO為滿。

4、FIFO的讀寫操作

FIFO的讀寫操作遵循先進先出的原則。

寫入數據時，根據寫地址將數據寫入FIFO的空閑位置；讀取數據時，根據讀地址從FIFO的存儲位置讀取數據。

在連續的讀寫操作中，讀寫指針會自動遞增，以便在下次讀寫時正確指向FIFO的下一個位置。

5、FIFO的同步處理

由于FIFO通常涉及不同時鐘域之間的數據傳輸，因此需要進行同步處理。

在異步FIFO中，寫入時鐘和讀取時鐘是不同的，需要使用握手協議進行同步。

在同步FIFO中，讀寫時鐘是同一個時鐘，但仍然需要進行時序分析，以保證數據的穩定性和可靠性