基于fifo的arm_fpga数据存取实验 []

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|  V1.0  |  2020-07-03  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验十七：FIFO实验——基于FIFO的ARM与FPGA数据存取 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 掌握双口RAM IP核的调用及例化方法。
  - 掌握RAM读写时序。
  - 掌握QuartusII的使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
  - Blaster（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
  - JLINK（或相同功能）仿真器。
  - Micro USB线缆。
  - Keil MDK 开发平台。
  - Quartus开发平台。
  - 电脑一台。
==== 三、 实验原理 ====

  * FIFO（First Input First Output）是一种先进先出的存储器。与之前的RAM相比较而言，FIFO存储器没有地址线，操作起来更加的简单，但其缺点就在于，只能顺序读写数据，不能随意指定读写数据的地址单元。根据读写时钟的相同与否，FIFO可分为异步FIFO和同步FIFO两种，本实验讲的是异步FIFO。
  * FIFO的读写时钟在每个时钟上升沿到来时对数据进行操作；读写请求信号为高电平有效，低电平失能。
  * FIFO读写操作的工作原理：在FIFO内部有读写指针，其中，读指针指向下一个将要读取数据的地址，复位时指针指向0地址；写指针指向下一个将要写入数据的地址，复位指针指向0地址。
  * FIFO的空/满检测是FIFO应用中的一个重要参数，不过在应用过程中，这两项参数不是必须使用的，可以通过控制读写时钟及读写请求信号来避免溢出，即通过人为的控制数据长度避免读写溢出（本实验即使如此）。
  * 根据上面的介绍可知，FIFO的读写操作时序如图17-1所示。 
{{ :icore4:icore4_fpga_17-1_a_.png?direct |17-1（a）读操作时序}}
{{ :icore4:icore4_fpga_17-1_b_.png?direct |17-1（b）写操作时序}}
  * 本实验通过串口发送命令控制FIFO的读写操作。首先，Commix向ARM发送命令，ARM通过FSMC总线向FIFO中写入数据，当ARM读到满标志时，停止写入，自动从FIFO中读取已写入的数据，通过串口显示出来，对比写入与读取数据的顺序与大小。实验原理如下图所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-2.png?direct |图17-2}}
==== 四、 FIFO IP核调用 ====

1、然后点击Tool ->Megawizard Plug-In Manager，如图17-3所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-3.png?direct |图17-3}}
2、在下面界面中保持默认，直接Next即可，如图17-4所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-4.png?direct |图17-4}}
3、在该界面中选择FIFO IP核、芯片类型、硬件描述语言类型及IP核相关文件存储位置，如图17-5所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-5.png?direct |图17-5}}
4、在该对话框中设置FIFO的位宽、存储深度，并选择同步还是异步FIFO（一般选择异步），如图17-6所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-6.png?direct |图17-6}}
5、该对话框保持默认直接Next即可，如图17-7所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-7.png?direct |图17-7}}
6、在此对话框选择空满标志信号及信号的输出方式（一般满标志选择写方向），如图17-8所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-8.png?direct |图17-8}}
7、选择读请求的模式，如图17-9所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-9.png?direct |图17-9}}
8、该对话框选择是否禁用“上溢”和“下溢”检测，一般选择禁用，如图17-10所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-10.png?direct |图17-10}}
9、保持默认值，直接Next即可，如图17-11所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-11.png?direct |图17-11}}
10、该对话框选择要生成的FIFO相关文件，一般保持默认即可，如图17-12所示
{{ :icore4:icore4_fpga_17-12.png?direct |图17-12}}
11、IP核设置完成后出现下面对话框，点击Yes，否则将无法正常调用FIFO，如图17-13所示。
{{ :icore4:icore4_fpga_17-13.png?direct |图17-13}}
==== 五、 代码讲解 ====

  * IP核调用只是生成相关的模块文件，在应用中要实现存储、读写功能，还需要对IP核进行实例化操作，FIFO IP核例化代码如下：
<code Verilog>
//------------------------------------------------//
//FIFO:先进先出，主要用于缓存数据。
my_fifo u2(
	.data(data_in),
	.wrreq(1'd1),
	.wrclk(wr2),
	.rdreq(1'd1),
	.rdclk(!rd),
	.wrfull(fifo_full_flag),
	.q(data_out)
);
</code>
==== 六、 实验步骤 ====
{{ :icore4:icore4_fpga_17-14.png?direct |图17-14}}
  - 将硬件正确连接，如图17-14所示。
  - 打开Commix，找到对应的COM端口打开。
  - 打开QuartusII开发环境，并打开实验工程。
  - 将FPGA程序下载至iCore4上。
  - 打开Keil MDK开发环境，并打开实验工程。
  - 将ARM程序下载至iCore4上。
  - 输入串口命令，观察实验现象。
==== 七、 实验现象 ====
  * 在Commix界面对比FIFO写入数据与读取数据的大小和顺序，发现数据的大小和顺序保持一致。
    * 写命令：write_fifo\cl\lf
 
{{ :icore4:icore4_fpga_17-15.png?direct |图17-15}}
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