mirror of
https://github.com/pConst/basic_verilog.git
synced 2025-01-28 07:02:55 +08:00
Added universal block RAM fifo
This commit is contained in:
parent
1efbd7c243
commit
4cd95ad2dc
223
fifo_single_clock_ram.sv
Executable file
223
fifo_single_clock_ram.sv
Executable file
@ -0,0 +1,223 @@
|
|||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// fifo_single_clock_ram.sv
|
||||||
|
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
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//------------------------------------------------------------------------------
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// INFO ------------------------------------------------------------------------
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// Single-clock FIFO buffer implementation, also known as "queue"
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//
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// This fifo variant should synthesize into block RAM seamlessly, both for
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// Altera and for Xilinx chips. Simulation is also consistent.
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// Use this fifo when you need cross-vendor and sim/synth compatibility.
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//
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// Features:
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// - single clock operation
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// - configurable depth and data width
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// - only "normal" mode is supported here, no FWFT mode
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// - protected against overflow and underflow
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//
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/* --- INSTANTIATION TEMPLATE BEGIN ---
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||||||
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||||||
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fifo_single_clock_ram #(
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||||||
|
.DEPTH( 8 ),
|
||||||
|
.DATA_W( 32 )
|
||||||
|
) FF1 (
|
||||||
|
.clk( clk ),
|
||||||
|
.nrst( 1'b1 ),
|
||||||
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||||||
|
.w_req( ),
|
||||||
|
.w_data( ),
|
||||||
|
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||||||
|
.r_req( ),
|
||||||
|
.r_data( ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.cnt( ),
|
||||||
|
.empty( ),
|
||||||
|
.full( )
|
||||||
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);
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||||||
|
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||||||
|
--- INSTANTIATION TEMPLATE END ---*/
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||||||
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||||||
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module fifo_single_clock_ram #( parameter
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||||||
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||||||
|
//FWFT_MODE = "TRUE", // "TRUE" - first word fall-trrough" mode
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||||||
|
// "FALSE" - normal fifo mode
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||||||
|
DEPTH = 8, // max elements count == DEPTH, DEPTH MUST be power of 2
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||||||
|
DEPTH_W = $clog2(DEPTH)+1, // elements counter width, extra bit to store
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||||||
|
// "fifo full" state, see cnt[] variable comments
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||||||
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||||||
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DATA_W = 32 // data field width
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||||||
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)(
|
||||||
|
|
||||||
|
input clk,
|
||||||
|
input nrst, // inverted reset
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||||||
|
|
||||||
|
// input port
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||||||
|
input w_req,
|
||||||
|
input [DATA_W-1:0] w_data,
|
||||||
|
|
||||||
|
// output port
|
||||||
|
input r_req,
|
||||||
|
output [DATA_W-1:0] r_data,
|
||||||
|
|
||||||
|
// helper ports
|
||||||
|
output logic [DEPTH_W-1:0] cnt = '0,
|
||||||
|
output logic empty,
|
||||||
|
output logic full,
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||||||
|
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||||||
|
output logic fail
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||||||
|
);
|
||||||
|
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||||||
|
|
||||||
|
// read and write pointers
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||||||
|
logic [DEPTH_W-1:0] w_ptr = '0;
|
||||||
|
logic [DEPTH_W-1:0] r_ptr = '0;
|
||||||
|
|
||||||
|
// filtered requests
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||||||
|
logic w_req_f;
|
||||||
|
assign w_req_f = w_req && ~full;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic r_req_f;
|
||||||
|
assign r_req_f = r_req && ~empty;
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
true_dual_port_write_first_2_clock_ram #(
|
||||||
|
.RAM_WIDTH( DATA_W ),
|
||||||
|
.RAM_DEPTH( DEPTH ),
|
||||||
|
.INIT_FILE( "" )
|
||||||
|
) data_ram (
|
||||||
|
.clka( clk ),
|
||||||
|
.addra( w_ptr[DEPTH_W-1:0] ),
|
||||||
|
.ena( w_req_f ),
|
||||||
|
.wea( 1'b1 ),
|
||||||
|
.dina( w_data[DATA_W-1:0] ),
|
||||||
|
.douta( ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.clkb( clk ),
|
||||||
|
.addrb( r_ptr[DEPTH_W-1:0] ),
|
||||||
|
.enb( r_req_f ),
|
||||||
|
.web( 1'b0 ),
|
||||||
|
.dinb( '0 ),
|
||||||
|
.doutb( r_data[DATA_W-1:0] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
function [DEPTH_W-1:0] inc_ptr (
|
||||||
|
input [DEPTH_W-1:0] ptr
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
if( ptr[DEPTH_W-1:0] == DEPTH-1 ) begin
|
||||||
|
inc_ptr[DEPTH_W-1:0] = '0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
inc_ptr[DEPTH_W-1:0] = ptr[DEPTH_W-1:0] + 1'b1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endfunction
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk) begin
|
||||||
|
if ( ~nrst ) begin
|
||||||
|
w_ptr[DEPTH_W-1:0] <= '0;
|
||||||
|
r_ptr[DEPTH_W-1:0] <= '0;
|
||||||
|
|
||||||
|
cnt[DEPTH_W-1:0] <= '0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
|
||||||
|
if( w_req_f ) begin
|
||||||
|
w_ptr[DEPTH_W-1:0] <= inc_ptr(w_ptr[DEPTH_W-1:0]);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
if( r_req_f ) begin
|
||||||
|
r_ptr[DEPTH_W-1:0] <= inc_ptr(r_ptr[DEPTH_W-1:0]);
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
if( w_req_f && ~r_req_f ) begin
|
||||||
|
cnt[DEPTH_W-1:0] <= cnt[DEPTH_W-1:0] + 1'b1;
|
||||||
|
end else if( ~w_req_f && r_req_f ) begin
|
||||||
|
cnt[DEPTH_W-1:0] <= cnt[DEPTH_W-1:0] - 1'b1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
always_comb begin
|
||||||
|
empty = ( cnt[DEPTH_W-1:0] == '0 );
|
||||||
|
full = ( cnt[DEPTH_W-1:0] == DEPTH );
|
||||||
|
|
||||||
|
fail = ( empty && r_req ) ||
|
||||||
|
( full && w_req );
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
module true_dual_port_write_first_2_clock_ram #( parameter
|
||||||
|
RAM_WIDTH = 16,
|
||||||
|
RAM_DEPTH = 8,
|
||||||
|
INIT_FILE = ""
|
||||||
|
)(
|
||||||
|
input clka,
|
||||||
|
input [clogb2(RAM_DEPTH-1)-1:0] addra,
|
||||||
|
input ena,
|
||||||
|
input wea,
|
||||||
|
input [RAM_WIDTH-1:0] dina,
|
||||||
|
output [RAM_WIDTH-1:0] douta,
|
||||||
|
|
||||||
|
input clkb,
|
||||||
|
input [clogb2(RAM_DEPTH-1)-1:0] addrb,
|
||||||
|
input enb,
|
||||||
|
input web,
|
||||||
|
input [RAM_WIDTH-1:0] dinb,
|
||||||
|
output [RAM_WIDTH-1:0] doutb
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
reg [RAM_WIDTH-1:0] BRAM [RAM_DEPTH-1:0];
|
||||||
|
reg [RAM_WIDTH-1:0] ram_data_a = {RAM_WIDTH{1'b0}};
|
||||||
|
reg [RAM_WIDTH-1:0] ram_data_b = {RAM_WIDTH{1'b0}};
|
||||||
|
|
||||||
|
// either initializes the memory values to a specified file or to all zeros
|
||||||
|
// to match hardware
|
||||||
|
generate
|
||||||
|
if (INIT_FILE != "") begin: use_init_file
|
||||||
|
initial
|
||||||
|
$readmemh(INIT_FILE, BRAM, 0, RAM_DEPTH-1);
|
||||||
|
end else begin: init_bram_to_zero
|
||||||
|
integer ram_index;
|
||||||
|
initial
|
||||||
|
for (ram_index = 0; ram_index < RAM_DEPTH; ram_index = ram_index + 1)
|
||||||
|
BRAM[ram_index] = {RAM_WIDTH{1'b0}};
|
||||||
|
end
|
||||||
|
endgenerate
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clka)
|
||||||
|
if (ena)
|
||||||
|
if (wea) begin
|
||||||
|
BRAM[addra] <= dina;
|
||||||
|
ram_data_a <= dina;
|
||||||
|
end else
|
||||||
|
ram_data_a <= BRAM[addra];
|
||||||
|
|
||||||
|
always @(posedge clkb)
|
||||||
|
if (enb)
|
||||||
|
if (web) begin
|
||||||
|
BRAM[addrb] <= dinb;
|
||||||
|
ram_data_b <= dinb;
|
||||||
|
end else
|
||||||
|
ram_data_b <= BRAM[addrb];
|
||||||
|
|
||||||
|
// no output register
|
||||||
|
assign douta = ram_data_a;
|
||||||
|
assign doutb = ram_data_b;
|
||||||
|
|
||||||
|
// calculates the address width based on specified RAM depth
|
||||||
|
function integer clogb2;
|
||||||
|
input integer depth;
|
||||||
|
for (clogb2=0; depth>0; clogb2=clogb2+1)
|
||||||
|
depth = depth >> 1;
|
||||||
|
endfunction
|
||||||
|
|
||||||
|
endmodule
|
||||||
|
|
277
fifo_single_clock_ram_tb.sv
Executable file
277
fifo_single_clock_ram_tb.sv
Executable file
@ -0,0 +1,277 @@
|
|||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// fifo_single_clock_ram_tb.sv
|
||||||
|
// Konstantin Pavlov, pavlovconst@gmail.com
|
||||||
|
//------------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
|
||||||
|
// INFO ------------------------------------------------------------------------
|
||||||
|
// testbench for fifo_single_clock_reg_ram.sv module
|
||||||
|
//
|
||||||
|
|
||||||
|
`timescale 1ns / 1ps
|
||||||
|
|
||||||
|
module fifo_single_clock_ram_tb();
|
||||||
|
|
||||||
|
logic clk200;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 clk200 = 1'b0;
|
||||||
|
forever
|
||||||
|
#2.5 clk200 = ~clk200;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// external device "asynchronous" clock
|
||||||
|
logic clk33;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 clk33 = 1'b0;
|
||||||
|
forever
|
||||||
|
#15.151 clk33 = ~clk33;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic rst;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 rst = 1'b0;
|
||||||
|
#10.2 rst = 1'b1;
|
||||||
|
#5 rst = 1'b0;
|
||||||
|
//#10000;
|
||||||
|
forever begin
|
||||||
|
#9985 rst = ~rst;
|
||||||
|
#5 rst = ~rst;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic nrst;
|
||||||
|
assign nrst = ~rst;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic rst_once;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 rst_once = 1'b0;
|
||||||
|
#10.2 rst_once = 1'b1;
|
||||||
|
#5 rst_once = 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic nrst_once;
|
||||||
|
assign nrst_once = ~rst_once;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [31:0] DerivedClocks;
|
||||||
|
clk_divider #(
|
||||||
|
.WIDTH( 32 )
|
||||||
|
) cd1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.nrst( nrst_once ),
|
||||||
|
.ena( 1'b1 ),
|
||||||
|
.out( DerivedClocks[31:0] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [31:0] E_DerivedClocks;
|
||||||
|
edge_detect ed1[31:0] (
|
||||||
|
.clk( {32{clk200}} ),
|
||||||
|
.nrst( {32{nrst_once}} ),
|
||||||
|
.in( DerivedClocks[31:0] ),
|
||||||
|
.rising( E_DerivedClocks[31:0] ),
|
||||||
|
.falling( ),
|
||||||
|
.both( )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [15:0] RandomNumber1;
|
||||||
|
c_rand rng1 (
|
||||||
|
.clk(clk200),
|
||||||
|
.rst(rst_once),
|
||||||
|
.reseed(1'b0),
|
||||||
|
.seed_val(DerivedClocks[31:0]),
|
||||||
|
.out( RandomNumber1[15:0] )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
logic start;
|
||||||
|
initial begin
|
||||||
|
#0 start = 1'b0;
|
||||||
|
#100 start = 1'b1;
|
||||||
|
#20 start = 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// Module under test ==========================================================
|
||||||
|
|
||||||
|
// comment or uncomment to test FWFT and normal fifo modes
|
||||||
|
//`define TEST_FWFT yes
|
||||||
|
|
||||||
|
// comment or uncomment to sweep-test or random test
|
||||||
|
`define TEST_SWEEP yes
|
||||||
|
|
||||||
|
// comment or uncomment to use bare scfifo or quartus wizard-generated wrappers
|
||||||
|
//`define BARE_SCFIFO yes
|
||||||
|
|
||||||
|
logic full1, empty1;
|
||||||
|
logic full1_d1, empty1_d1;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic direction1 = 1'b0;
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk200) begin
|
||||||
|
if( ~nrst ) begin
|
||||||
|
direction1 <= 1'b0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// sweep logic
|
||||||
|
if( full1_d1 ) begin
|
||||||
|
direction1 <= 1'b1;
|
||||||
|
end else if( empty1_d1 ) begin
|
||||||
|
direction1 <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// these signals allow "erroring" requests testing:
|
||||||
|
// - reads from the empty fifo
|
||||||
|
// - writes to the filled fifo
|
||||||
|
full1_d1 <= full1;
|
||||||
|
empty1_d1 <= empty1;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [3:0] cnt1;
|
||||||
|
logic [15:0] data_out1;
|
||||||
|
fifo_single_clock_ram #(
|
||||||
|
.DEPTH( 8 ),
|
||||||
|
.DATA_W( 16 )
|
||||||
|
) FF1 (
|
||||||
|
.clk( clk200 ),
|
||||||
|
.nrst( nrst_once ),
|
||||||
|
|
||||||
|
`ifdef TEST_SWEEP
|
||||||
|
.w_req( ~direction1 && &RandomNumber1[10] ),
|
||||||
|
.w_data( RandomNumber1[15:0] ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.r_req( direction1 && &RandomNumber1[10] ),
|
||||||
|
.r_data( data_out1[15:0] ),
|
||||||
|
`else
|
||||||
|
.w_req( &RandomNumber1[10:9] ),
|
||||||
|
.w_data( RandomNumber1[15:0] ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.r_req( &RandomNumber1[8:7] ),
|
||||||
|
.r_data( data_out1[15:0] ),
|
||||||
|
`endif
|
||||||
|
|
||||||
|
.cnt( cnt1[3:0] ),
|
||||||
|
.empty( empty1 ),
|
||||||
|
.full( full1 )
|
||||||
|
);
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
|
||||||
|
logic full2, empty2;
|
||||||
|
logic full2_d1, empty2_d1;
|
||||||
|
|
||||||
|
logic direction2 = 1'b0;
|
||||||
|
always_ff @(posedge clk200) begin
|
||||||
|
if( ~nrst ) begin
|
||||||
|
direction2 <= 1'b0;
|
||||||
|
end else begin
|
||||||
|
// sweep logic
|
||||||
|
if( full2_d1 ) begin
|
||||||
|
direction2 <= 1'b1;
|
||||||
|
end else if( empty2_d1 ) begin
|
||||||
|
direction2 <= 1'b0;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
// these signals allow "erroring" requests testing:
|
||||||
|
// - reads from the empty fifo
|
||||||
|
// - writes to the filled fifo
|
||||||
|
full2_d1 <= full2;
|
||||||
|
empty2_d1 <= empty2;
|
||||||
|
end
|
||||||
|
end
|
||||||
|
|
||||||
|
//==============================================================================
|
||||||
|
|
||||||
|
logic [15:0] data_out2;
|
||||||
|
|
||||||
|
DCFIFO #(
|
||||||
|
.LPM_WIDTH( 16 ),
|
||||||
|
.LPM_NUMWORDS( 8 ),
|
||||||
|
.LPM_WIDTHU( $clog2(8) ), /// CEIL(LOG2(LPM_NUMWORDS)),
|
||||||
|
|
||||||
|
`ifdef TEST_FWFT
|
||||||
|
.LPM_SHOWAHEAD( "ON" ),
|
||||||
|
`else
|
||||||
|
.LPM_SHOWAHEAD( "OFF" ),
|
||||||
|
`endif
|
||||||
|
.UNDERFLOW_CHECKING( "ON" ),
|
||||||
|
.OVERFLOW_CHECKING( "ON" ),
|
||||||
|
|
||||||
|
.ADD_RAM_OUTPUT_REGISTER( "OFF" ),
|
||||||
|
.ENABLE_ECC( "FALSE" ),
|
||||||
|
|
||||||
|
// output delay to the usedw[] outputs
|
||||||
|
.DELAY_RDUSEDW( 1 ), // one clock cycle by default
|
||||||
|
.DELAY_WRUSEDW( 1 ),
|
||||||
|
// Pipe length used for synchronization and metastability resolving
|
||||||
|
// If the rdclk and wrclk are unrelated, most often used values range from 2 to 4
|
||||||
|
// If they are syncronized to one another, 0 might be used
|
||||||
|
.RDSYNC_DELAYPIPE( 3 ), // from the wrclk to the rdclk subsystem
|
||||||
|
.WRSYNC_DELAYPIPE( 3 ), // from the rdclk to the wrclk subsystem
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.CLOCKS_ARE_SYNCHRONIZED( "TRUE" ), // Are the clocks sufficiently synchronized (or clock multiples of each other with no pashe shift)
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// such that the synchronization and pipeline registers may be elliminated
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.ADD_USEDW_MSB_BIT( "ON" ),
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.WRITE_ACLR_SYNCH( "OFF" ),
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.READ_ACLR_SYNCH( "OFF" )
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//.USE_EAB( "ON" ),
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//.MAXIMIZE_SPEED( 5 ),
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//.DEVICE_FAMILY( "CYCLONE V" ),
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//.OPTIMIZE_FOR_SPEED( 5 ),
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//.CBXI_PARAMETER( "NOTHING" )
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) FF2 (
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.aclr( 1'b0 ),
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.wrclk( clk200 ),
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`ifdef TEST_SWEEP
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.wrreq( ~direction1 && &RandomNumber1[10] ),
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.data( RandomNumber1[15:0] ),
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`else
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.wrreq( &RandomNumber1[10:9] ),
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.data( RandomNumber1[15:0] ),
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`endif
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.wrempty( ),
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.wrfull( ),
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.wrusedw( ),
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.rdclk( clk200 ),
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`ifdef TEST_SWEEP
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.rdreq( direction1 && &RandomNumber1[10] ),
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||||||
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.q( data_out2[15:0] ),
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||||||
|
`else
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||||||
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.rdreq( &RandomNumber1[8:7] ),
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||||||
|
.q( data_out2[15:0] ),
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|
`endif
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.rdempty( empty2 ),
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.rdfull( full2 ),
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.rdusedw( ),
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.eccstatus( )
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);
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//==============================================================================
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logic outputs_equal;
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assign outputs_equal = ( data_out1[15:0] == data_out2[15:0] ) ||
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`ifdef TEST_FWFT
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// scipping minor discontinuity
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// seems like altera`s fifo has some additional buffering???
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( cnt1[3:0] == 1 && data_out1[15:0] != data_out2[15:0] );
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`else
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1'b0;
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`endif
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logic empty_equal;
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assign empty_equal = ( empty1 == empty2 );
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logic full_equal;
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assign full_equal = ( full1 == full2 );
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logic success = 1'b1;
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always_ff @(posedge clk200) begin
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if( ~nrst ) begin
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success <= 1'b1;
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end else begin
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if( ~outputs_equal ) begin
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||||||
|
success <= 1'b0;
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||||||
|
end
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||||||
|
end
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||||||
|
end
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||||||
|
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||||||
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|
||||||
|
endmodule
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