設計一個FIFO是FPGA">FPGA設計者遇到的最普遍的問題之一。本文著重介紹怎樣設計FIFO——
這是一個看似簡單卻很復雜的任務。
一開始，要注意，FIFO通常用于時鐘域的過渡，是雙時鐘設計。換句話說，設計工程要處理
（work off）兩個時鐘，因此在大多數情況下，FIFO工作于獨立的兩個時鐘之間。然而，
我們不從這樣的結構開始介紹—我們將從工作在單時鐘的一個FIFO特例開始。
雖然工作在同一時鐘的FIFO在實際應用中很少用到，但它為更多的復雜設計搭建一個平臺，
這是非常有用的。然后再從特例推廣到更為普通的FIFO，該系列文章包括以下內容：
1．單時鐘結構
2．雙時鐘結構——雙鐘結構1
3．雙時鐘結構——雙鐘結構2
4．雙時鐘結構——雙鐘結構3
5．脈沖模式FIFO
單時鐘FIFO特例
FIFO有很多種結構，包括波浪型（ripple）FIFO，移位寄存器型以及其他
一些我們并不關心的結構類型。我們將集中討論包含RAM存儲器的結構類型。
其結構如圖1所示。
通過分析，我們看到圖中有一個具有獨立的讀端口和獨立的寫端口的RAM存儲器。
這樣選擇是為了分析方便。如果是一個單端口的存儲器，還應包含一個仲裁器保證
同一時刻只能進行一項操作（讀或寫），我們選擇雙口RAM（無需真正的雙口RAM，
因為我們只是希望有一個簡單的相互獨立的讀寫端口）是因為這些實例非常接近實際情況。
讀、寫端口擁有又兩個計數器產生的寬度為log2(array_size)的互相獨立的讀、寫地址。
數據寬度是一個非常重要的參數將在在稍后的結構選擇時予以介紹，而現在我們不必
過分的關心它。為了一致，我們稱這些計數器為“讀指針”（read pointer）和“寫指針”
（write pointer）。寫指針指向下一個將要寫入的位置，讀指針指向下一個將要讀取的位置。
每次寫操作使寫指針加1，讀操作使讀指針加1。
我們看到最下面的模塊為“狀態”(stauts) 模塊。
這個模塊的任務實給FIFO提供“空”（empty）和“滿”（full）信號。
這些信號告訴外部電路FIFO已經達到了臨界條件：如果出現“滿”信號，
那么FIFO為寫操作的臨界狀態，如果出現“空”信號，則FIFO為讀操作的臨界狀態。
寫操作的臨界狀態（“full is active”）表示FIFO已經沒有空間來存儲更多的數據，
讀操作的臨界表示FIFO沒有更多的數據可以讀出。status模塊還可告訴FIFO中“滿”或“空”位置的數值。這是由指針的算術運算來完成了。
實際的“滿”或“空”位置計算并不是為FIFO自身提供的。它是作為一個
報告機構給外部電路用的。但是，“滿”和“空”信號在FIFO中卻扮演著
非常重要的角色，它為了能實現讀與寫操作各自的獨立運行而阻塞性的管
理數據的存取。這種阻塞性管理的重要性不是將數據復寫（或重讀），而
是指針位置可以控制整個FIFO，并且使讀、寫操作改變著指針數值。如果
我們不阻止指針在臨界狀態下改變狀態，FIFO還能都一邊“吃”著數據一
邊“產生”數據，這簡直是不可能的。
進一步分析：DPRAM若能夠寄存讀出的信號，這意味著存儲器的輸出數據已
被寄存。如果這樣的話，讀指針將不得不設計成“read 并加1 ”，也就是說
在FIFO輸出數據有效之前，必須提供一個明確的讀信號。另一方面，如果
DPRAM沒有寄存輸出，一旦寫入有效數據就可以讀出；先讀數據，然后
使指針加1。這將影響到從FIFO讀出數據和實現空/滿計算的邏輯。由于
簡化的緣故，我們僅論述DPRAM沒有提供索鎖存輸出的情況。同理，將其
推廣到寄存輸出的DPRAM并不是很復雜。
從功能上看，FIFO工作原理如下所述：復位時，讀、寫指針均為0。
這是FIFO的空狀態，空標志為高電平，（我們用高電平表示空標志）
此時滿標志為低電平。當FIFO出現空標志時，不允許讀操作，只能允許寫操作。
寫操作寫入到位置0，并使寫指針加1。此時，空標志變為低電平。假設沒有發生讀
操作而且隨后的一段時間FIFO中只有寫操作。一定時間后，寫指針的值等于array_size-1。
這就意味著在存儲器中，要寫入數據的最后一個位置就是下一個位置。
在這種情況下，寫操作將寫指針變為0，并將輸出滿標志。
注意，在這種情況下，寫指針和讀指針是相等的，但是FIFO已滿，而不是空。
這意味著“滿”或“空”的決定并不是僅僅基于指針的值，而是基于引起指
針值相等的操作。如果指針值相等的原因是復位或者讀操作，FIFO認為是空；
如果原因是寫操作，那么FIFO認為是滿。
現在，假設我們開始一系列的讀操作，每次讀操作都將增加讀指針的值，
直到讀指針的位置等于array_size-1。在該點，從這個位置讀出的FIFO輸
出總線上的數據是有效的。隨后的邏輯讀取這些數據并提供一個讀信號
（在一個時鐘周期內有效）。這將導致讀指針再次等于寫指針
（在兩個指針走完存儲器一圈后）。然而，由于這次相等是由于
一個讀操作，將會輸出空標志。
因此，我們將得到如下的空標志：寫操作無條件的清除空標志。
Read pointer=(array_size-1) ， 讀操作置空標志。
以及如下的滿標志：讀操作無條件的清除滿標志，
Write pointer= (array_size-1)， 寫操作置滿標志。
然而，這是一個特殊的例子，由于一般情況下，讀操作在FIFO不是空的情
況下就開始了（讀操作邏輯不需要等待FIFO變滿），因此這些條件不得不修改來存儲讀指針和寫指針的每一個值。
有這樣一個想法，那就是我們可以將存儲器組織成一個環形列表。
因此，如果寫指針與讀指針差值大于1或更多，就進行讀操作，
FIFO為空，這種工作方式對于用無符號（n-bit）結構來描述的
臨界狀態非常適合。同樣的，如果讀指針與寫指針的差值大于1，
就進行寫操作，直到FIFO為滿。
這將帶來如下的條件：
寫操作無條件的清除空標志。
write_pointer=(read_pointer+1)，讀操作置空。
讀操作無條件的清除滿標志，
read_pointer= (write_pointer+1)，寫操作置滿。
注意，讀操作和寫操作同時都在使其指針增加，
但不改變空標志和滿標志的狀態。在空或滿的臨界狀態同時讀操作和寫操作都是不允許的。
綜上所述，我們現在能夠定義FIFO的status模塊，
這里提供了用VHDL編寫的代碼，由于是同步的，很容易轉換成Verilog HDL代碼。
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