在FPGA中基于信元的FIFO设计方法

设计工程师通常在FPGA上实现FIFO(先进先出寄存器)的时候，都会使用由芯片提供商所提供的FIFO。但是，由于其通用性使得其针对性变差，某些情况下会变得不方便或者将增加硬件成本。此时，需要进行自行FIFO设计。本文提供了一种基于信元的FIFO设计方法以供设计者在适当的时候选用。这种方法也适合于不定长包的处理。

FIFO在数字通讯芯片领域中有两个主要的作用，缓冲数据和隔离时钟。对于FIFO的设计，最关键的问题是如何实现RAM的读写双方的信息交换。一般情况下，设计者都直接调用厂商为自己的FPGA专门打造的FIFO核。基本单元是FIFO所使用的RAM的一次读写操作的最小单元，如一个字节，一个字或者是一个双字。所谓操作粒度，即FIFO的读写双方的信息交换是基于这些基本单元。

ATM应用中的FIFO设计

以ATM的设计为例，在ATM的相关设计中，设计者则更多希望一个FIFO对外给出的信息是“现在FIFO中还剩下几个信元”。要实现这一功能通常有两种方法：

1. 调用厂商提供的以操作粒度为基本单元的通用FIFO，然后在这个FIFO的外面再加上一个“套子”。这个套子里面设计一些计数器，根据计数内容对外提供相应的信息。

2. 设计操作粒度为信元的定制FIFO。这样对外直接提供设计者最希望得到的信息，即FIFO中还有多少个信元。

设定FIFO最多可以存放4个信元。基本单元为字节，因此RAM的数据宽度为8位，一个信元的长度为53字节。

把RAM分成4个信元区域，读写地址的高二位指明信元区域，低六位指明信元区域内的字节地址，这样组合成8位读写地址。读写双方的信息交换是互相通知对方还有多少个信元在FIFO中。读写双方都拥有自己的记分牌(Scoreboard)，这个记分牌可以由一个四位的寄存器来实现，每一位对应一个信元区域。当一个信元区域中有一个完整的信元的时候，记分牌的相应的寄存器被设置为‘1’，否则为‘0’。读出方读出一个信元，修改自己记分牌的动作叫做清位。写入方写入一个完整信元，修改自己记分牌的动作叫置位。

从逻辑上说，只需要读出方把自己的记分牌的信息(清位信息)传送给写入方，同时写入方把自己的记分牌的信息(置位信息)传送给读出方就可以了，即只要构成两条逻辑通道就可以满足需求。但是，在硬件上的实现却要比这种只从逻辑上的思考要复杂。由于读写双方有可能处在不同的时钟域，所以当读写双方交换信息的时候就需要处理信号采样的亚稳态情况。我们使用下面的方法来处理信号亚稳态。

消除信号亚稳态

在读、写入方之间建立下面的四条单向数据通道：传送写入方到读出方的置位信息(Wr2RdSet)；写入方到读出方的清位信息(Wr2RdRst)；读出方到写入方的清位信息(Rd2WrRst)；读出方到写入方的置位信息(Rd2WrSet)。由于读出方只发生清位信息，而写入方只发生置位信息，所以信息本身只有两个。四条通道可以被划分为两个信息组：一个组(Rd2WrRst和Wr2RdRst)传递清位信息，叫清位信息组；一个组(Wr2RdSet和Rd2WrSet)传递置位信息，叫置位信息组。读出方使用清位信息组，写入方使用置位信息组。这样做的目的是为了建立起一个稳定的握手机制。在读出方设置一个专门的发送电路，当此发送电路通过Rd2WrRst发出了清位信息后，等待写入方通过Wr2RdRst通道送回关于这个信息被接收的确认。当收到这个信息的确认后，读出方发送电路复位。同样的，写入方也有一个发送电路，操作过程同读出方一致，无非是使用置位信息组。这两个发送电路都各由四个寄存器组成，一位对应一个信元区域。

为了解决Rd2WrRst进入写入方时引起的信号亚稳态，需要在写入方设置一个专门消除亚稳态的电路模块。根据Rd2WrRst和Rd2WrSet特点不一样，这个模块有多种设计方法，但是其宗旨都是使用连续两次采样的方式。

这里介绍一种比较简单的方法。在设计的时候，把Rd2WrRst和Rd2WrSet的信号都设计为电平方式，即当读出方要发送一个信元区域的清位信息的时候，就把Rd2WrRst信号通道里对应的信元区域位设置为‘1’。这个‘1’电平一直保持到写入方的确认到达。当这个‘1’电平被写入方采样的时候，由于‘1’同步于读出方的时钟，所以很有可能会产生写入方第一次采样为一个不确切值，即通常意义上的亚稳态状态。但是，由于读出方一直保持‘1’电平，所以写时钟在第二次采样的时候就会得到一个稳定的采样样本，从而消除了Rd2WrRst的亚稳态。对于解决Wr2RdSet进入读出方的时候引起的信号亚稳态的方法和读出方一样。

对于Rd2WrSet通道里面的信息，其实是读出方给写入方的置位确认。这个信号的源头是写入方发出的Wr2RdSet，读出方对Wr2RdSet不做任何处理，只是单纯地把它里面的信息拷贝到Rd2WrSet通道并回送写入方，当Rd2WrSet进入写入方的时候，进入消除亚稳态电路，最后复位写入方的发送电路。对于Wr2RdRst通道里面的信息操作也和Rd2WrSet的信息一样。整个电路的结构如图所示。

对于信元字节的计数，和通常的方式一样，发生在FIFO的外部，外部的电路需要为FIFO提供基于信元字节计数到信元尾的信息。这个信息用来使得FIFO的读写地址指针从一个信元区域跳到下一个信元区域。FIFO向外部电路提供FIFO有多少个信元的信息。这个信息加上外部电路自己产生的计数信息，可以知道FIFO是否将满，FIFO是否将空等一系列信息。

通过上面的描述，可以看到外部电路能够非常自由地控制FIFO的读写地址的变化，这是通用FIFO所不具备的功能。由于FIFO给出的是信元的信息，设计者在做有关UTOPIA协议的电路的时候，可以很方便地使用这个信息。同时，如果设计需要UTOPIA的查错功能，这样的情况更需要外部电路能控制FIFO的地址变化。从而使得写地址指针回跳以覆盖原先写入的数据。显然，这一功能也是通用FIFO很难实现的。

本文小结

对于这样的FIFO应用还可以延伸到对于非定长包的处理，比如说以太包。由于以太包的特点，要在FPGA中完全存储一个以太包需要的硬件资源很大，所以，有时候对于以太包的处理都会先把其分为固定长的数据块，并把每一数据块伴以相应的标识以识别他们是属于哪一个以太包。这样一来，就变成了对固定长数据块的处理。因此，上面所述的FIFO的设计方法又可以用来缓存以太包。

综上所述，笔者所提供的FIFO的设计方法能实现很多通用FIFO所无法完成的工作，而且适用范围很广。