极快入门AXI4总线--AXI4-Stream篇3----XILINX IP AXI4 STREAM DATA FIFO

写在前面

        AXI4系列链接：带你快速入门AXI4总线--汇总篇（直达链接）

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1、AXI4 STREAM DATA FIFO是什么？

        IP核----AXI4 STREAM DATA FIFO也是一种先入先出形式的数据缓存队列（FIFO），不过输入输出接口均为AXIS接口。可用在数据缓存，跨时钟域传输等各类场景。搭载的AXIS接口方便了模块移植，比较适合SOC系统。

        在IP catalog搜索，AXI4 STREAM DATA FIFO，再双击出现其配置界面：

        点击documentation--product guide有XILINX提供的IP手册，需要注意的是这个IP的手册是和其他多个IP构成的一个手册（PG085），所以内容不是特别详尽。 

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该IP的参数如下：

        Component Name：自己例化的IP名称，根据自己需求来命名即可

        FIFO Depth：FIFO深度，可选择范围16 and 32768，我们这里设置32

        Memory type：实现FIFO的RAM类型，一般选择自动auto即可

        Independent：是否选择独立时钟，即同步FIFO或者异步FIFO，我们这里不搞复杂了，选择同步FIFO ，选择NO

        CDC sync stages：跨时钟域处理的同步阶数，我们选择的同步时钟，用不到

        Enable Packet Mode： 使能包模式：设置为Yes将使能包模式。此项设定需要TLAST信号被使能。FIFO的操作在包模式下被修改为存储传送的数据，直到TLAST信号被置位。当TLAST信号被置位或者FIFO满了，存储的传送数据将被送至AXI4-Stream master interface。我们这里先不使用。

        ACLKEN Conversion Mode（选择NONE） ：ACLKEN转换模式： 这个下拉选项为ACLKEN信号的转换模式。当ACLKEN转换执行时会消耗额外的延迟和逻辑。这个选项有： 

• None - 这里没有ACLKEN信号关联于IP。 
• S AXIS Only - 一个S_AXIS_ACLKEN信号关联到S_AXIS_ACLK时钟信号和没M_AXIS_ACLKEN信号。 
• M AXIS Only - 一个M_AXIS_ACLKEN信号关联到M_AXIS_ACLK时钟信号和没有S_AXIS_ACLKEN信号。 
• S AXIS & M AXIS - 两边时钟都有 ACLKEN信号关联到他们。

        Enable ECC：Error Correction Checking ，错误纠正检查。不使用

        TDATA Width（bytes）： TDATA位宽（字节为最小单位）， 该参数指定了所有AXI4-Stream interfaces中的TDATA信号的位宽，以字节为最小单位。该参数为整数，在0到512（IP核设置界面是256）之间。设为0将省略TDATA信号。如果TDATA信号被省略，TKEEP和TSTRB信号也会被省略。接口数据的位宽按bits计算，需要乘以8。我们这里设置1

        Enable TSTRB ：使能TSTRB信号 ，如果设定为Yes，这个参数指定是否在所有AXI4-Stream interfaces使用可选的TSTRB信号。这个选项只能在TDATA Width（bytes）参数大于0时才可以使能。这个信号和TKEEP一起构成了对TDATA的描述，表明当前传输的数据是有效、或是占位符或无效。

        Enable TKEEP ：使能TSTRB信号 ，如果设定为Yes，这个参数指定是否在所有AXI4-Stream interfaces使用可选的TKEEP信号。这个选项只能在TDATA Width（bytes）参数大于0时才可以使能。这个信号和TKEEP一起构成了对TDATA的描述，表明当前传输的数据是有效、或是占位符或无效。

        Enable TLAST： 使能TLAST。如果设定为Yes，这个参数指定是否在所有AXI4-Stream interfaces使用可选的TLAST信号。对于TLAST信号要重点说明，因为在使用STREAM FIFO时TLAST的作用特别的重要。对于STREAM FIFO来说，TLAST信号的作用是指示一次传输数据流的最后一个数据，也指示着该数据流的结束。其会记录下TLAST信号的位置，及当其SLAVE接口（SFIFO的数据写入接口）的某一个数据写入的同时TLASET信号也为高的话，当MASTER接口（SFIFO的数据读出接口）读出该数据的同时也会将TLAST信号拉高。总结起来就是，进的数据有TLAST，该数据出的时候就会有TLAST。

        TID Width（bits）： TID位宽（比特为单位）： 如果该参数大于0，这个参数指定是否在所有的AXI4-Stream interfaces中使用TID信号。值大于0省略这个信号。适用于多个AXIS接口构成的系统通信，用于区别源信号。这里不使用

        TDEST Width（bits）： TDEST位宽（bits）： 如果该参数大于0，这个参数指定是否在所有的AXI4-Stream interfaces中使用TDEST信号。值大于0省略这个信号。适用于多个AXIS接口构成的系统通信，用于区别目标信号。这里不使用

        TUSER Width（bits）： TUSER 位宽（bits）： 如果该参数大于0，这个参数指定是否在所有的AXI4-Stream interfaces中使用TDEST信号。值大于0省略这个信号。传输用于的定制信息，这里不使用

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        FLAG类的信号设置如下：

        Enable write data count：使能写入数据计数，同步于写时钟

        Enable almost full：使能写入几乎满，同步于写时钟

        Enable programmable full：使能可编程满，同步于写时钟。可以自己设置阈值来提醒当前FIFO的写入状态

        Programmable full threshold：可编程满阈值

        Enable read data count：使能读取数据计数，同步于读时钟

        Enable almost empty：使能读取几乎空，同步于读时钟

        Enable programmable empty：使能可编程空，同步于读时钟。可以自己设置阈值来提醒当前FIFO的读取状态

        Programmable empty threshold：可编程空阈值

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再来看一下此时的FIFO框图：

        其中除了标志信号、时钟、复位信号外，就是两个接口M_AXIS、S_AXIS。我们知道AXIS是一种半双工的总线，数据传输永远是从MASTER发送给SLAVE，所以可以判断出M_AXIS是发送接口来发送FIFO中的数据，即FIFO读取端；S_AXIS是接收接口来将数据写入FIFO中，即FIFO写入端。

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2、自己编写的仿真验证

        接下来我们例化一个FIFO，并依照AXIS的握手协议来对其进行仿真验证，预期实现以下功能：

• FIFO深度32，AXIS的数据位宽32位，读写时钟50M
• 先将FIFO写满，等待几个周期，将其读空

        编写的Testbench如下：

1.  
   `timescale 1ns/1ns //时间单位/精度
2.  
   //------------<模块及端口声明>----------------------------------------
3.  
   module tb_fifo();
4.  
    
5.  
   reg s_axis_aresetn;
6.  
   reg s_axis_aclk;
7.  
   //写FIFO端口
8.  
   reg s_axis_tvalid;
9.  
   reg [31 : 0] s_axis_tdata;
10.  
    reg s_axis_tlast;
11.  
    wire [31 : 0] axis_wr_data_count;
12.  
    wire s_axis_tready;
13.  
    wire almost_full;
14.  
    //读FIFO端口
15.  
    reg m_axis_tready;
16.  
    wire m_axis_tvalid;
17.  
    wire [31 : 0] m_axis_tdata;
18.  
    wire m_axis_tlast;
19.  
    wire [31 : 0] axis_rd_data_count;
20.  
    wire almost_empty;
21.  
    //------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
22.  
    initial begin
23.  
    s_axis_aclk = 1'b0; //初始时钟为0
24.  
    s_axis_aresetn <= 1'b0; //初始复位
25.  
    s_axis_tvalid <= 1'b0;
26.  
    s_axis_tdata <= 32'd0;
27.  
    s_axis_tlast <= 1'b0;
28.  
    m_axis_tready <= 1'b0;
29.  
    #60 //60个时钟周期后
30.  
    s_axis_aresetn <= 1'b1; //拉高复位，系统进入工作状装
31.  
    #70
32.  
    s_axis_tvalid <= 1'b1; //拉高tvalid，准备发送信好
33.  
    wait(s_axis_tready); //等待从机响应
34.  
    repeat(35)begin //重复35个时钟周期
35.  
    @(posedge s_axis_aclk)
36.  
    s_axis_tdata <= s_axis_tdata 1; //发数据从1开始累加1
37.  
    end
38.  
    s_axis_tvalid <= 1'b0; //结束发送
39.  
    m_axis_tready <= 1'b1; //拉高tready，准备接收
40.  
    @(posedge almost_empty)
41.  
    #20 m_axis_tready <= 1'b0; //接收完所有数据后拉低m_axis_tready
42.  
    #40 $finish;
43.  
    end
44.  
    //------------<设置时钟>----------------------------------------------
45.  
    always #10 s_axis_aclk = ~s_axis_aclk; //系统时钟周期20ns
46.  
     
47.  
    //tlast
48.  
    always@(posedge s_axis_aclk or negedge s_axis_aresetn ) begin
49.  
    if(!s_axis_aresetn)
50.  
    s_axis_tlast <= 1'b0;
51.  
    //发送33个数据（最后一个数据）拉高
52.  
    else if(axis_data_fifo_0_inst.s_axis_tdata == 'd33)
53.  
    s_axis_tlast <= 1'b1;
54.  
    else
55.  
    s_axis_tlast <= 1'b0;
56.  
    end
57.  
     
58.  
    //------------<例化被测试模块>----------------------------------------
59.  
    axis_data_fifo_0 axis_data_fifo_0_inst (
60.  
    //系统端口
61.  
    .s_axis_aresetn (s_axis_aresetn ), // input wire s_axis_aresetn
62.  
    .s_axis_aclk (s_axis_aclk ), // input wire s_axis_aclk
63.  
    //写FIFO端口
64.  
    .s_axis_tvalid (s_axis_tvalid ), // input wire s_axis_tvalid
65.  
    .s_axis_tready (s_axis_tready ), // output wire s_axis_tready
66.  
    .s_axis_tdata (s_axis_tdata ), // input wire [7 : 0] s_axis_tdata
67.  
    .s_axis_tlast (s_axis_tlast ), // input wire s_axis_tlast
68.  
    .axis_wr_data_count (axis_wr_data_count ), // output wire [31 : 0] axis_wr_data_count
69.  
    .almost_empty (almost_empty ), // output wire almost_empty
70.  
    //读FIFO端口
71.  
    .m_axis_tvalid (m_axis_tvalid ), // output wire m_axis_tvalid
72.  
    .m_axis_tready (m_axis_tready ), // input wire m_axis_tready
73.  
    .m_axis_tdata (m_axis_tdata ), // output wire [7 : 0] m_axis_tdata
74.  
    .m_axis_tlast (m_axis_tlast ), // output wire m_axis_tlast
75.  
    .axis_rd_data_count (axis_rd_data_count ), // output wire [31 : 0] axis_rd_data_count
76.  
    .almost_full (almost_full ) // output wire almost_full
77.  
    );
78.  
     
79.  
    endmodule

        仿真结果如下：

        局部放大，写数据部分仿真图：

        读数据部分仿真图：

        这里对时序图不做讲解（图上的注释已经非常详尽了），只说一下FIFO的深度问题。从图中我们发现两点：

• FIFO设置的深度为32，仿真实际深度为34
• 读取FIFO时，数据并没有落后1个时钟周期 

        关于XILINX的FIFO IP核，有两种读取模式：standard FIFO，first word fall through。这两种模式的时序如下：

         不难发现，standard FIFO模式读取数据会有一个周期的延迟；而first word fall through模式下，读取数据没有延迟。所以在本文中的FIFO都是first word fall through模式。

        而这两种模式的actual depth而会有一点点区别。依然打开FIFO generator，分别选择两种模式看看实际深度的区别，如下：

         可以看到standard FIFO模式的实际深度是32，而first word fall through模式的实际深度是34。这就解释了为什么我们的仿真FIFO深度是34了。

3、XILINX官方例程仿真

        同其他许多IP一样，这个IP Xilinx也会我们提供example design。右击IP，选择open IP example design

        点击OK

        此时会新生成一个工程，该工程目录如下： 

        的

         点击run simulation进行行为仿真，添加波形如下：

         仿真结果如下所示：

        过程较长，我们截取一些局部图。

        下图中，FIFO复位未完成时，存在不稳定的现象 ；FIFO的写入和读取均需要等待一定的时间。

         下图中：

                每1个时钟周期写入1个数据 ；每2个时钟周期读取1个数据

                tlast一直被拉高，代表每包数据只有一个

                写入数据累加1（32‘d16843 == 32'b0000_0001_0000_0001_0000_0001_0000_0001；32‘d33686 == 32'b0000_0002_0000_0002_0000_0002_0000_0002）         

         下图中：

                由于写时钟是读时钟的2倍，所以FIFO很快会被写满，被写满后只有等待读出数据后才能继续写入，由于写使能一直拉高，就会形成一种读写平衡状态

         下图中：

                一次写入一包数据，个数16个，s_axis_tlast表示写入一包数据的最后一个

         下图中：

                一次读出一包数据，个数16个，m_axis_tlast表示读取一包数据的最后一个

         下图中：

                用户拉低s_axis_tvalid信号，停止写入FIFO；继续读取FIFO；待FIFO中的数据全部被读出来后，FIFO拉低m_axis_tvalid信号，表示FIFO被读空

4、其他

• 需要整个工程的朋友可以私信或者评论留下邮箱
• 创作不易，希望各位大佬多多三连支持！一家之言，如有错误还请指正！

 

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