题意整理
本题要求实现异步FIFO，FIFO的位宽和深度可配置。
题解主体
异步FIFO结构如上图所示
1. 第1部分是双口RAM，用于数据的存储。
2. 第2部分是数据写入控制器
3. 第3部分是数据读取控制器
4. 读指针同步器
使用写时钟的两级触发器采集读指针，输出到数据写入控制器。
5. 写指针同步器
使用读时钟的两级触发器采集写指针，输出到数据读取控制器。
本题解采用的空满判断的方式是用格雷码的比较来产生空满信号。
如上图所示，使用4位格雷码作为深度为8的FIFO的读写指针。
将格雷码转换成四位二进制数，使用二进制数低三位作为访问RAM的地址。
与同步FIFO类似，当读写指针相等时，得出FIFO为空
当写指针比读指针多循环RAM一周时，此时读写指针的最高位和次高位都相反，其余位相同，FIFO为满。
Verilog代码描述如下：
module asyn_fifo#(
parameter WIDTH = 8,
parameter DEPTH = 16
)(
input wclk ,
input rclk ,
input wrstn ,
input rrstn ,
input winc ,
input rinc ,
input [WIDTH-1:0] wdata ,
output wire wfull ,
output wire rempty ,
output wire [WIDTH-1:0] rdata
);
parameter ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH);
/**********************addr bin gen*************************/
reg [ADDR_WIDTH:0] waddr_bin;
reg [ADDR_WIDTH:0] raddr_bin;
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
waddr_bin <= 'd0;
end
else if(!wfull && winc)begin
waddr_bin <= waddr_bin + 1'd1;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
raddr_bin <= 'd0;
end
else if(!rempty && rinc)begin
raddr_bin <= raddr_bin + 1'd1;
end
end
/**********************addr gray gen*************************/
wire [ADDR_WIDTH:0] waddr_gray;
wire [ADDR_WIDTH:0] raddr_gray;
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr;
assign waddr_gray = waddr_bin ^ (waddr_bin>>1);
assign raddr_gray = raddr_bin ^ (raddr_bin>>1);
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
wptr <= 'd0;
end
else begin
wptr <= waddr_gray;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
rptr <= 'd0;
end
else begin
rptr <= raddr_gray;
end
end
/**********************syn addr gray*************************/
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr_buff;
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr_syn;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr_buff;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr_syn;
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
rptr_buff <= 'd0;
rptr_syn <= 'd0;
end
else begin
rptr_buff <= rptr;
rptr_syn <= rptr_buff;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
wptr_buff <= 'd0;
wptr_syn <= 'd0;
end
else begin
wptr_buff <= wptr;
wptr_syn <= wptr_buff;
end
end
/**********************full empty gen*************************/
assign wfull = (wptr == {~rptr_syn[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1],rptr_syn[ADDR_WIDTH-2:0]});
assign rempty = (rptr == wptr_syn);
/**********************RAM*************************/
wire wen ;
wire ren ;
wire wren;//high write
wire [ADDR_WIDTH-1:0] waddr;
wire [ADDR_WIDTH-1:0] raddr;
assign wen = winc & !wfull;
assign ren = rinc & !rempty;
assign waddr = waddr_bin[ADDR_WIDTH-1:0];
assign raddr = raddr_bin[ADDR_WIDTH-1:0];
dual_port_RAM #(.DEPTH(DEPTH),
.WIDTH(WIDTH)
)dual_port_RAM(
.wclk (wclk),
.wenc (wen),
.waddr(waddr[ADDR_WIDTH-1:0]), //深度对2取对数，得到地址的位宽。
.wdata(wdata), //数据写入
.rclk (rclk),
.renc (ren),
.raddr(raddr[ADDR_WIDTH-1:0]), //深度对2取对数，得到地址的位宽。
.rdata(rdata) //数据输出
);
endmodule
参考答案
`timescale 1ns/1ns
/***************************************RAM*****************************************/
module dual_port_RAM #(parameter DEPTH = 16,
parameter WIDTH = 8)(
input wclk
,input wenc
,input [$clog2(DEPTH)-1:0] waddr //深度对2取对数，得到地址的位宽。
,input [WIDTH-1:0] wdata //数据写入
,input rclk
,input renc
,input [$clog2(DEPTH)-1:0] raddr //深度对2取对数，得到地址的位宽。
,output reg [WIDTH-1:0] rdata //数据输出
);
reg [WIDTH-1:0] RAM_MEM [0:DEPTH-1];
always @(posedge wclk) begin
if(wenc)
RAM_MEM[waddr] <= wdata;
end
always @(posedge rclk) begin
if(renc)
rdata <= RAM_MEM[raddr];
end
endmodule
/***************************************AFIFO*****************************************/
module asyn_fifo#(
parameter WIDTH = 8,
parameter DEPTH = 16
)(
input wclk ,
input rclk ,
input wrstn ,
input rrstn ,
input winc ,
input rinc ,
input [WIDTH-1:0] wdata ,
output wire wfull ,
output wire rempty ,
output wire [WIDTH-1:0] rdata
);
parameter ADDR_WIDTH = $clog2(DEPTH);
/**********************addr bin gen*************************/
reg [ADDR_WIDTH:0] waddr_bin;
reg [ADDR_WIDTH:0] raddr_bin;
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
waddr_bin <= 'd0;
end
else if(!wfull && winc)begin
waddr_bin <= waddr_bin + 1'd1;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
raddr_bin <= 'd0;
end
else if(!rempty && rinc)begin
raddr_bin <= raddr_bin + 1'd1;
end
end
/**********************addr gray gen*************************/
wire [ADDR_WIDTH:0] waddr_gray;
wire [ADDR_WIDTH:0] raddr_gray;
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr;
assign waddr_gray = waddr_bin ^ (waddr_bin>>1);
assign raddr_gray = raddr_bin ^ (raddr_bin>>1);
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
wptr <= 'd0;
end
else begin
wptr <= waddr_gray;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
rptr <= 'd0;
end
else begin
rptr <= raddr_gray;
end
end
/**********************syn addr gray*************************/
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr_buff;
reg [ADDR_WIDTH:0] wptr_syn;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr_buff;
reg [ADDR_WIDTH:0] rptr_syn;
always @(posedge wclk or negedge wrstn) begin
if(~wrstn) begin
rptr_buff <= 'd0;
rptr_syn <= 'd0;
end
else begin
rptr_buff <= rptr;
rptr_syn <= rptr_buff;
end
end
always @(posedge rclk or negedge rrstn) begin
if(~rrstn) begin
wptr_buff <= 'd0;
wptr_syn <= 'd0;
end
else begin
wptr_buff <= wptr;
wptr_syn <= wptr_buff;
end
end
/**********************full empty gen*************************/
assign wfull = (wptr == {~rptr_syn[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1],rptr_syn[ADDR_WIDTH-2:0]});
assign rempty = (rptr == wptr_syn);
/**********************RAM*************************/
wire wen ;
wire ren ;
wire wren;//high write
wire [ADDR_WIDTH-1:0] waddr;
wire [ADDR_WIDTH-1:0] raddr;
assign wen = winc & !wfull;
assign ren = rinc & !rempty;
assign waddr = waddr_bin[ADDR_WIDTH-1:0];
assign raddr = raddr_bin[ADDR_WIDTH-1:0];
dual_port_RAM #(.DEPTH(DEPTH),
.WIDTH(WIDTH)
)dual_port_RAM(
.wclk (wclk),
.wenc (wen),
.waddr(waddr[ADDR_WIDTH-1:0]), //深度对2取对数，得到地址的位宽。
.wdata(wdata), //数据写入
.rclk (rclk),
.renc (ren),
.raddr(raddr[ADDR_WIDTH-1:0]), //深度对2取对数，得到地址的位宽。
.rdata(rdata) //数据输出
);
endmodule
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