在FPGA中基于信元的FIFO設計方法

設計工程師通常在FPGA上實現FIFO(先進先出寄存器)的時候，都會使用由芯片提供商所提供的FIFO。但是，由于其通用性使得其針對性變差，某些情況下會變得不方便或者將增加硬件成本。

　　此時，需要進行自行FIFO設計。本文提供了一種基于信元的FIFO設計方法以供設計者在適當的時候選用。這種方法也適合于不定長包的處理。

　　FIFO在數字通訊芯片領域中有兩個主要的作用，緩沖數據和隔離時鐘。對于FIFO的設計，最關鍵的問題是如何實現RAM的讀寫雙方的信息交換。一般情況下，設計者都直接調用廠商為自己的FPGA專門打造的FIFO核。基本單元是FIFO所使用的RAM的一次讀寫操作的最小單元，如一個字節，一個字或者是一個雙字。所謂操作粒度，即FIFO的讀寫雙方的信息交換是基于這些基本單元。

　　ATM應用中的FIFO設計

　　以ATM的設計為例，在ATM的相關設計中，設計者則更多希望一個FIFO對外給出的信息是“現在FIFO中還剩下幾個信元”。要實現這一功能通常有兩種方法：

　　調用廠商提供的以操作粒度為基本單元的通用FIFO，然后在這個FIFO的外面再加上一個“套子”。這個套子里面設計一些計數器，根據計數內容對外提供相應的信息。

　　設計操作粒度為信元的定制FIFO。這樣對外直接提供設計者最希望得到的信息，即FIFO中還有多少個信元。

　　設定FIFO最多可以存放4個信元?；締卧獮樽止潱虼薘AM的數據寬度為8位，一個信元的長度為53字節。

　　把RAM分成4個信元區域，讀寫地址的高二位指明信元區域，低六位指明信元區域內的字節地址，這樣組合成8位讀寫地址。讀寫雙方的信息交換是互相通知對方還有多少個信元在FIFO中。讀寫雙方都擁有自己的記分牌(Scoreboard)，這個記分牌可以由一個四位的寄存器來實現，每一位對應一個信元區域。當一個信元區域中有一個完整的信元的時候，記分牌的相應的寄存器被設置為‘1’，否則為‘0’。讀出方讀出一個信元，修改自己記分牌的動作叫做清位。寫入方寫入一個完整信元，修改自己記分牌的動作叫置位。

　　從邏輯上說，只需要讀出方把自己的記分牌的信息(清位信息)傳送給寫入方，同時寫入方把自己的記分牌的信息(置位信息)傳送給讀出方就可以了，即只要構成兩條邏輯通道就可以滿足需求。但是，在硬件上的實現卻要比這種只從邏輯上的思考要復雜。由于讀寫雙方有可能處在不同的時鐘域，所以當讀寫雙方交換信息的時候就需要處理信號采樣的亞穩態情況。我們使用下面的方法來處理信號亞穩態。

　　消除信號亞穩態

　　在讀、寫入方之間建立下面的四條單向數據通道：傳送寫入方到讀出方的置位信息(Wr2RdSet)；寫入方到讀出方的清位信息(Wr2RdRst)；讀出方到寫入方的清位信息(Rd2WrRst)；讀出方到寫入方的置位信息(Rd2WrSet)。由于讀出方只發生清位信息，而寫入方只發生置位信息，所以信息本身只有兩個。四條通道可以被劃分為兩個信息組：一個組(Rd2WrRst和Wr2RdRst)傳遞清位信息，叫清位信息組；一個組(Wr2RdSet?和Rd2WrSet)傳遞置位信息，叫置位信息組。讀出方使用清位信息組，寫入方使用置位信息組。這樣做的目的是為了建立起一個穩定的握手機制。在讀出方設置一個專門的發送電路，當此發送電路通過Rd2WrRst發出了清位信息后，等待寫入方通過Wr2RdRst通道送回關于這個信息被接收的確認。當收到這個信息的確認后，讀出方發送電路復位。同樣的，寫入方也有一個發送電路，操作過程同讀出方一致，無非是使用置位信息組。這兩個發送電路都各由四個寄存器組成，一位對應一個信元區域。

　　為了解決Rd2WrRst進入寫入方時引起的信號亞穩態，需要在寫入方設置一個專門消除亞穩態的電路模塊。根據Rd2WrRst和Rd2WrSet特點不一樣，這個模塊有多種設計方法，但是其宗旨都是使用連續兩次采樣的方式。

　　這里介紹一種比較簡單的方法。在設計的時候，把Rd2WrRst和Rd2WrSet的信號都設計為電平方式，即當讀出方要發送一個信元區域的清位信息的時候，就把Rd2WrRst信號通道里對應的信元區域位設置為‘1’。這個‘1’電平一直保持到寫入方的確認到達。當這個‘1’電平被寫入方采樣的時候，由于‘1’同步于讀出方的時鐘，所以很有可能會產生寫入方第一次采樣為一個不確切值，即通常意義上的亞穩態狀態。但是，由于讀出方一直保持‘1’電平，所以寫時鐘在第二次采樣的時候就會得到一個穩定的采樣樣本，從而消除了Rd2WrRst的亞穩態。對于解決Wr2RdSet進入讀出方的時候引起的信號亞穩態的方法和讀出方一樣。

　　對于Rd2WrSet通道里面的信息，其實是讀出方給寫入方的置位確認。這個信號的源頭是寫入方發出的Wr2RdSet，讀出方對Wr2RdSet不做任何處理，只是單純地把它里面的信息拷貝到Rd2WrSet通道并回送寫入方，當Rd2WrSet進入寫入方的時候，進入消除亞穩態電路，最后復位寫入方的發送電路。對于Wr2RdRst通道里面的信息操作也和Rd2WrSet的信息一樣。整個電路的結構如圖所示。

　　對于信元字節的計數，和通常的方式一樣，發生在FIFO的外部，外部的電路需要為FIFO提供基于信元字節計數到信元尾的信息。這個信息用來使得FIFO?的讀寫地址指針從一個信元區域跳到下一個信元區域。FIFO向外部電路提供FIFO有多少個信元的信息。這個信息加上外部電路自己產生的計數信息，可以知道FIFO是否將滿，FIFO是否將空等一系列信息。

　　通過上面的描述，可以看到外部電路能夠非常自由地控制FIFO的讀寫地址的變化，這是通用FIFO所不具備的功能。由于FIFO給出的是信元的信息，設計者在做有關UTOPIA協議的電路的時候，可以很方便地使用這個信息。同時，如果設計需要UTOPIA的查錯功能，這樣的情況更需要外部電路能控制?FIFO的地址變化。從而使得寫地址指針回跳以覆蓋原先寫入的數據。顯然，這一功能也是通用FIFO很難實現的。

　　本文小結

　　對于這樣的FIFO應用還可以延伸到對于非定長包的處理，比如說以太包。由于以太包的特點，要在FPGA中完全存儲一個以太包需要的硬件資源很大，所以，有時候對于以太包的處理都會先把其分為固定長的數據塊，并把每一數據塊伴以相應的標識以識別他們是屬于哪一個以太包。這樣一來，就變成了對固定長數據塊的處理。因此，上面所述的FIFO的設計方法又可以用來緩存以太包。