同步与异步FIFO IP核功能测试详解

2026/8/15 9:24:33 拓冰建站浏览量

FIFO原理、分类与FPGA实现测试

摘要：本文系统介绍了 FIFO（First In First Out）的基本原理、与 ROM/RAM 的区别、分类方式，并通过 Quartus 调用实例和 Verilog 代码演示了同步与异步 FIFO 的功能测试。文章涵盖 FIFO 的环状存储特性、握手信号机制、时钟分类（同步/异步）、工作模式（标准/先出），并提供了完整的测试代码与仿真波形分析，适合 FPGA 初学者和数字电路设计者参考。

一、FIFO简介

1.1与ROM和RAM的区别

FIFO（First In First Out 先进先出）没有地址信号，依赖于读写指针，类似环状存储，而 ROM 和 RAM 类似于管状存储，需要依赖地址信号。
FIFO 在读出数据的时候读的是数据本身所以读出数据之后，数据会消失，但是 RAM 因为是随机存取存储器，读出的只是数据的映射，所以数据依然保留。
FIFO 的靠的是指针的偏移去指向存储空间，有数据量信号，因为每隔一个存储空间做一次切换与格雷码相似，所以存储空间的编码一般采用格雷码。
FIFO 具有很多的握手信号

1.2基本单元

构成资源：LUT + M9k + D触发器（不同系列芯片的构成不同）

1.3 基本应用

连续数据、跨时钟域传输。

二、FIFO的分类

2.1 按时钟分类

同步FIFO（单时钟）
异步 FIFO（双时钟，读写各用一个时钟），双时钟又分为普通双时钟和异步双时钟

2.2 按工作模式分类

标准模式（读使能打开之后，经过一个时钟周期读出数据）
先出模式（先准备好数据，等读使能打开之后，更新数据）

三、FIFO 的调用（这里以同步为例，异步的调用大家可以参考同步去理解之后再尝试）

快捷键 Ctrl+7 调出 IP 搜索栏，搜索 FIFO 点开
选择你的 HDL 语言以及 IP 核文件存放位置
由于我们选择的是同步 FIFO 所以不能调整（读）输出的位宽，在异步 FIFO 里可以进行修改，本次异步测试使用的是 50MHz 和 100MHz 的时钟，若输入 16 位宽，输出 8 位宽，则可以在理论上形成读写动态平衡，同时读写的速率会一致。* 勾选配置 FIFO 各类可选状态控制信号（握手信号）与清零模式，可根据需求勾选
后面因为目前还没涉及到，所以都默认点击next，到最后一页选择inst仿真例化文件后finish就完成调用了

四、FIFO 的功能测试

4.1 同步FIFO测试

测试代码

//同步FIFO module top ( input wire clk , input wire rst_n ); //fifo：8*256 //写 reg [7:0] data ;//输入数据 reg wrreq ;//写使能 //读 reg rdreq ;//读使能 wire [7:0] q ;//读出的数据 //握手信号 wire almost_empty ;//将空信号 wire almost_full ;//将满信号 wire empty ;//空信号，读写指针在同一圈重合（出现空溢出，数据断裂） wire full ;//满信号，写指针超过读指针一圈且重合（出现满溢出，数据丢失） wire [7:0] usedw ;//数据量 reg [9:0] cnt ;//0--1023计数器 //生成数据以及使能信号的转变 //0-1023 always @(posedge clk or negedge rst_n) if(rst_n == 0) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1;//因为位宽限制这里就不用再写清零条件了 //写 always @(posedge clk or negedge rst_n) if(rst_n == 0)begin wrreq <= 0; data <= 0; end else if(cnt < 512)begin wrreq <= 1; data <= data + 1;//前512个周期开始写数据 end else begin wrreq <= 0; data <= 0; end //读 always @(posedge clk or negedge rst_n) if(rst_n == 0) rdreq <= 0; else if(cnt >= 512) rdreq <= 1; else rdreq <= 0; fifo fifo_inst ( .aclr ( !rst_n ), .clock ( clk ), .data ( data ), .rdreq ( rdreq ), .wrreq ( wrreq ), .almost_empty ( almost_empty ), .almost_full ( almost_full ), .empty ( empty ), .full ( full ), .q ( q ), .usedw ( usedw ) ); endmodule

仿真代码

`timescale 1ns/1ps module tb (); reg clk ; reg rst_n ; initial begin clk = 0; rst_n = 0; #20 rst_n = 1; #100000 $stop ; end always #10 clk = ~clk ;//产生 50MHz 时钟信号 top top_inst( . clk (clk ), . rst_n (rst_n) ); endmodule

测试仿真波形

4.2 异步FIFO测试

测试代码

//异步FIFO module top ( input wire clk , input wire rst_n ); //pll :两路时钟 wire clk_50 , clk_100 ; //FIFO：8*256 //写 reg [7:0] data ; //输入数据 reg wrreq ; //写使能 //读 reg rdreq ; //读使能 wire [7:0] q ; //读出的数据 // 握手信号 wire rdempty; //读空信号 wire rdfull ; //读满信号 wire wrempty; //写空信号 wire wrfull ; //写满信号 // 数据量 wire [7:0] wrusedw; //写数据量 wire [7:0] rdusedw; //读数据量 // 与同步 FIFO 的代码同理 reg [9:0] cnt ; //0--1023计数器 //生成数据以及使能信号的转变 //0-1023 always @(posedge clk_50 or negedge rst_n) if(rst_n == 0) cnt <= 0; else cnt <= cnt + 1; //因为位宽限制这里就不用再写清零条件了 //写 always @(posedge clk_50 or negedge rst_n) if(rst_n == 0)begin wrreq <= 0; data <= 0; end else if(cnt < 512)begin wrreq <= 1; data <= data + 1; //前512个周期开始写数据 end else begin wrreq <= 0; data <= 0; end //读 always @(posedge clk_100 or negedge rst_n) if(rst_n == 0) rdreq <= 0; else if(cnt >= 512) rdreq <= 1; else rdreq <= 0; clock clock_inst ( .areset ( !rst_n ), .inclk0 ( clk ), .c0 ( clk_50 ), .c1 ( clk_100 ) ); dfifo dfifo_inst ( .aclr ( !rst_n ), .data ( data ), .rdclk ( clk_100 ), .rdreq ( rdreq ), .wrclk ( clk_50 ), .wrreq ( wrreq ), .q ( q ), .rdempty ( rdempty ), .rdfull ( rdfull ), .rdusedw ( rdusedw ), .wrempty ( wrempty ), .wrfull ( wrfull ), .wrusedw ( wrusedw ) ); endmodule

仿真代码与同步fifo一致
测试仿真波形(可以看到大致规律和同步差不多，波形也很整齐漂亮，大家可以修改测试代码查看在不同条件下的波形，如上文所说产生的动态平衡)

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