【正文】 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)題 目 基于verilog hdl的異步FIFO設(shè)計(jì) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。作者簽名：　　 　 　　 日　 期：　　 　 　　 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)　　 　 　大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等）。：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂基于Verilog HDL的異步FIFO設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘 要在現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)中，特別是在模塊與外圍芯片的通信設(shè)計(jì)中，多時(shí)鐘域的情況不可避免。當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域傳遞到另一個(gè)域，并且目標(biāo)時(shí)鐘域與源時(shí)鐘域不相關(guān)時(shí)，這些域中的動(dòng)作是不相關(guān)的，從而消除了同步操作的可能性，并使系統(tǒng)重復(fù)地進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)，造成系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)序上的紊亂。為了有效的解決這個(gè)問題，我們采用一種異步FIFO（先進(jìn)先 出）存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)。本文提出一種新穎的異步FIFO設(shè)計(jì)方案，它通過先比較讀寫地址并結(jié)合象限檢測(cè)法產(chǎn)生異步的空/滿標(biāo)志，再把異步的空/滿標(biāo)志同步到相應(yīng)的時(shí)鐘域。通過仿真驗(yàn)證，該方法是穩(wěn)定有效的。關(guān)鍵詞：異步；FIFO；亞穩(wěn)態(tài)；格雷碼；結(jié)繩法Design and acplish asynchronous FIFO based on Verilog HDLAbstract In modern IC design, particularly in the munications module and peripheral chip design, multiple clock domains of the inevitable. When data passes from one clock domain to another domain, and the target clock domains are not associated with the source clock domain, these domains are not related movements, thus eliminating the possibility of simultaneous operation and allows the system to enter the subrepeat steadystate, causing disorder on the system clock timing. In order to effectively solve this problem, we use a asynchronous FIFO (FIFO) memory to achieve. This paper proposes a novel asynchronous FIFO design, which pared reading and writing through the first address and generate an asynchronous bination of quadrant detection empty / full flag, then asynchronous empty / full flag synchronized to the corresponding clock domain. The simulation results that the method is stable and effective.
Key Words: asynchronous。 FIFO。 metastable state。 Gray code。 tie knots France目 錄1 引言 1 FIFO研究意義 1 生產(chǎn)需求狀況 1 存儲(chǔ)器外發(fā)展?fàn)顩r 2 FIFO設(shè)計(jì)技術(shù)簡介 4 基于信元的FIFO設(shè)計(jì)方法 4 基于SRAM/DRAM的大容量FIFO的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 異步FIFO設(shè)計(jì)中存在的問題及解決辦法 5 亞穩(wěn)態(tài) 5 空/滿指針的解決方法 6 論文主要內(nèi)容 62 異步FIFO工作原理簡介 7 關(guān)于異步信號(hào) 7 異步FIFO芯片簡介 8 FIFO的一些重要參數(shù) 9 異步FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn) 10 異步FIFO設(shè)計(jì)難點(diǎn)概述 10 解決FIFO的滿/空技術(shù)方法概述和特點(diǎn) 10 亞穩(wěn)態(tài)問題的產(chǎn)生及解決 10 FIFO的功能簡介 11 Modelsim仿真工具簡介 11 主要特點(diǎn) 11 Verilog HDL語言的簡介 12 HDL語言 12 HDL與原理圖輸入法的關(guān)系 13 HDL開發(fā)流程 133 異步FIFO實(shí)現(xiàn)的技所涉及的技術(shù)及其解決方法 14 14 144 異步FIFO具體實(shí)現(xiàn)方法 16 亞穩(wěn)態(tài)問題的解決方案 16 問題的產(chǎn)生 16 常見的解決方法 16 格雷碼編碼法 16 雙觸發(fā)器法 17 結(jié)繩法 17 基于異步比較FIFO邏輯標(biāo)志的產(chǎn)生 18 設(shè)計(jì)思想 18 標(biāo)志位的產(chǎn)生 19 異步比較FI FO邏輯標(biāo)志與時(shí)鐘的同步 19 保守的空/滿標(biāo)志 21 半滿、將近滿、將近空的產(chǎn)生 22 FIFO異步空/滿信號(hào)的同步 23 仿真驗(yàn)證和綜合 235 總結(jié) 24 異步FIFO設(shè)計(jì)的總結(jié) 24 設(shè)計(jì)方法的不足之處 24附錄一 25參考文獻(xiàn) 30第 8 頁 共 39 頁1 引言 FIFO研究意義隨著計(jì)算機(jī)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字圖像、語音等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)近年來得到了極大的重視和長足的發(fā)展，并取得了廣泛的應(yīng)用。如何保障這些語音、圖像等數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、及時(shí)性？如何高效率高速度地傳輸這些數(shù)據(jù)？這些都是當(dāng)今信息領(lǐng)域的科研人員所必須回答和解決的問題。而往往在這些數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，又會(huì)遇到不同系統(tǒng)接口間數(shù)據(jù)的傳輸。通常在兩個(gè)相連接的不同電路系統(tǒng)之間，因?yàn)槊總€(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度不同，在系統(tǒng)的接口部分就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入速度和輸出速度不同，也就是會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸速率不匹配的問題。這種情況往往會(huì)讓傳輸?shù)臄?shù)據(jù)產(chǎn)生復(fù)寫或丟失，降低數(shù)據(jù)的傳輸速率，同時(shí)也因?yàn)閿?shù)據(jù)復(fù)寫、丟失和無效數(shù)據(jù)的讀入，將會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)出錯(cuò)，因此需要在不同系統(tǒng)的接口處設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸單元來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速高效傳輸。在現(xiàn)代的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了提高系統(tǒng)的性能，設(shè)計(jì)者對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸率、數(shù)據(jù)的傳輸量，對(duì)系統(tǒng)各部分之間的接口部分不同的數(shù)據(jù)輸入和接收傳輸率的匹配有越來越高的要求，而 FIFO存儲(chǔ)器以其合理的價(jià)格、使用的方便靈活性以及上述的對(duì)速度匹配的應(yīng)用而成為解決這類問題的理想途徑，因此FIFO 存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)、多媒體和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)FIFO的研究與設(shè)計(jì)應(yīng)用具有理論上和實(shí)際應(yīng)用上的雙重意義。 在現(xiàn)在的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)IFO的設(shè)計(jì)方法主要有兩種。一種是在FPGA中基于信元的FIFO設(shè)計(jì)方法，另一種是基于SDRAM/DRAM的大容量的FIFO的設(shè)計(jì)方法。 生產(chǎn)需求狀況[3]FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯器件）產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從原來的通信擴(kuò)展到消費(fèi)電子、汽車電子、工業(yè)控制、測(cè)試測(cè)量等廣泛的領(lǐng)域。而應(yīng)用的變化也使FPGA產(chǎn)品近幾年的演進(jìn)趨勢(shì)越來越明顯：一方面，F(xiàn)PGA供應(yīng)商致力于采用當(dāng)前最先進(jìn)的工藝來提升產(chǎn)品的性能，降低產(chǎn)品的成本；另一方面，越來越多的通用IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）或客戶定制IP被引入FPGA中，以滿足客戶產(chǎn)品快速上市的要求。此外，F(xiàn)PGA企業(yè)都在大力降低產(chǎn)品的功耗，滿足業(yè)界越來越苛刻的低功耗需求。在FPGA設(shè)計(jì)中，F(xiàn)IFO（先進(jìn)先出隊(duì)列）的設(shè)計(jì)是一種在電子系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的器件，通常用于數(shù)據(jù)的緩存和用于容納異步信號(hào)的頻率或相位的差異。電子產(chǎn)品的更新速度很快，品種也在也逐漸增多，所以緩存對(duì)于電子產(chǎn)品的工作速度來說是相當(dāng)重要的，這也就使得FIFO的應(yīng)用更加廣泛。所以FIFO的研發(fā)在一定意義上已經(jīng)盡量的滿足了市場對(duì)產(chǎn)品的高速度的要求。 存儲(chǔ)器的發(fā)展?fàn)顩rFIFO，簡單的說就是一種存儲(chǔ)器。下面簡單介紹一下存儲(chǔ)器的發(fā)展?fàn)顩r。（1）汞延遲線汞延遲線是基于汞在室溫時(shí)是液體，同時(shí)又是導(dǎo)體，每比特?cái)?shù)據(jù)用機(jī)械波的波峰機(jī)械波從汞柱的一端開始，一定厚度的熔融態(tài)金屬汞通過一振動(dòng)膜片沿著縱向從一端傳到另一端，這樣就得名“汞延遲線”。在管的另一端，一傳感器得到每一比特的信息，并反饋到起點(diǎn)。設(shè)想是汞獲取并延遲這些數(shù)據(jù)，這樣它們便能存儲(chǔ)了。這個(gè)過程是機(jī)械和電子的奇妙結(jié)合。缺點(diǎn)是由于環(huán)境條件的限制，這種存儲(chǔ)器方式會(huì)受各種環(huán)境因素影響而不精確。 1950年。它的主要特點(diǎn)是采用二進(jìn)制，使用汞延遲線作存儲(chǔ)器，指令和程序可存入計(jì)算機(jī)中。 1951年3月，由ENIAC的主要設(shè)計(jì)者莫克利和?？颂卦O(shè)計(jì)的第一臺(tái)通用自動(dòng)計(jì)算機(jī)UNIVACI交付使用。它不僅能作科學(xué)計(jì)算，而且能作數(shù)據(jù)處理。 （2) 磁帶UNIVACI第一次采用磁帶機(jī)作外存儲(chǔ)器，首先用奇偶校驗(yàn)方法和雙重運(yùn)算線路來提高系統(tǒng)的可靠性，并最先進(jìn)行了自動(dòng)編程的試驗(yàn)。 磁帶是所有存儲(chǔ)媒體中單位存儲(chǔ)信息成本最低、容量最大、標(biāo)準(zhǔn)化程度最高的常用存儲(chǔ)介質(zhì)之一。它互換性好、易于保存，近年來，由于采用了具有高糾錯(cuò)能力的編碼技術(shù)和即寫即讀的通道技術(shù)，大大提高了磁帶存儲(chǔ)的可靠性和讀寫速度。根據(jù)讀寫磁帶的工作原理可分為螺旋掃描技術(shù)、線性記錄（數(shù)據(jù)流）技術(shù)、DLT技術(shù)以及比較先進(jìn)的LTO技術(shù)。 根據(jù)讀寫磁帶的工作原理，磁帶機(jī)可以分為六種規(guī)格。其中兩種采用螺旋掃描讀寫方式的是面向工作組級(jí)的DAT（4mm）磁帶機(jī)和面向部門級(jí)的8mm磁帶機(jī)，另外四種則是選用數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)的設(shè)備，它們分別是采用單磁頭讀寫方式、磁帶寬度為1/4英寸、面向低端應(yīng)用的Travan和DC系列，以及采用多磁頭讀寫方式、磁帶寬度均為1/2英寸、面向高端應(yīng)用的DLT和IBM的3480/3490/3590系列等。（3) 磁鼓1953年，第一臺(tái)磁鼓應(yīng)用于IBM 701，它是作為內(nèi)存儲(chǔ)器使用的。磁鼓是利用鋁鼓筒表面涂覆的磁性材料來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。鼓筒旋轉(zhuǎn)速度很高，因此存取速度快。它采用飽和磁記錄，從固定式磁頭發(fā)展到浮動(dòng)式磁頭，從采用磁膠發(fā)展到采用電鍍的連續(xù)磁介質(zhì)。這些都為后來的磁盤存儲(chǔ)器打下了基礎(chǔ)。 磁鼓最大的缺點(diǎn)是利用率不高， 一個(gè)大圓柱體只有表面一層用于存儲(chǔ)，而磁盤的兩面都利用來存儲(chǔ)，顯然利用率要高得多。 因此，當(dāng)磁盤出現(xiàn)后，磁鼓就被淘汰了。 （4) 磁芯美國物理學(xué)家王安1950年提出了利用磁性材料制造存儲(chǔ)器的思想。福雷斯特則將這一思想變成了現(xiàn)實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)磁芯存儲(chǔ)，福雷斯特需要一種物質(zhì)，這種物質(zhì)應(yīng)該有一個(gè)非常明確的磁化閾值。他找到在新澤西生產(chǎn)電視機(jī)用鐵氧體變換器的一家公司的德國老陶瓷專家，利用熔化鐵礦和氧化物獲取了特定的磁性質(zhì)。 對(duì)磁化有明確閾值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。最先獲得這些專利許可證的是IBM，IBM最終獲得了在北美防衛(wèi)軍事基地安裝“旋風(fēng)”