Chisel实战之以FIFO为例（一）——FIFO Buffer

这一部分，我们将以FIFO以及FIFO的各种变体为例，进行Chisel数字设计的实战。这一部分的实战会以小规模的数字设计为例，比如一个FIFO Buffer，它是大规模数字设计中的常用构件块。再比如串行接口（串口），它本身也可以用到FIFO Buffer。这一篇文章就从最基本的FIFO Buffer开始。

FIFO Buffer概念

写端（发送端）和读端（接收端）之间可以通过在它们之间构建个缓冲区（Buffer）来解耦合。最常见的一种Buffer就是先进先出缓冲区（First-In First-Out Buffer，FIFO Buffer）。下图就展示了发送端（Writer）、FIFO Buffer和接收端（Reader）之间的信号连接：

数据由发送端在write有效时通过din放到FIFO里面，而接收端在read有效时通过dout来从FIFO中读取数据。

FIFO刚开始是空的，由empty信号给出空状态。从空的FIFO中读取数据是未定义的行为。当数据一直在往FIFO里面写但是不被读的话，FIFO就会满，由full信号给出满状态。向一个满的FIFO中写数据通常会被忽略，数据也会被丢弃。换句话来说，empty信号和full信号充当了握手信号的角色。

可能有这么两种FIFO的实现：

1. 用片上内存和读写指针实现；
2. 用寄存器链和小型状态机实现；

对于小的缓冲区（最多10个元素）而言，由独立的寄存器链接到一起形成的缓冲区的链条组织成的FIFO实现起来更简单，需要的资源也很少。

单FIFO Buffer的Chisel实现

我们首先从定义FIFO分别在发送端和接收端侧的IO接口开始，假定数据的尺寸是通过size可配置的。

首先是发送端侧的接口，规定写数据为din并由write信号使能，信号full指示FIFO的状态，执行发送端的流控制。发送端侧接口代码如下：

class WriterIO(size: Int) extends Bundle {
    
    val write = Input(Bool())
    val full = Output(Bool())
    val din = Input(UInt(size.W))
}

然后是接收端侧的接口，规定数据从dout输入并由read信号使能，信号empty指示FIFO的状态，并执行接收端的控制流。接收端侧接口代码如下：

class ReaderIO(size: Int) extends Bundle {
    
    val read = Input(Bool())
    val empty = Output(Bool())
    val dout = Output(UInt(size.W))
}

接下来就可以实现一个简单的单FIFO Buffer了，也就是只能存放一个数据的FIFO缓冲区。这个Buffer有一个WriterIO类型的入队端口enq和一个ReaderIO类型的出队端口deq。Buffer的状态机是一个保存数据的寄存器dataReg和一个简单的FSM状态寄存器stateReg。这个FSM只有两种状态，要么empty要么full。如果Buffer是empty的，给定write信号会向寄存器中写入输入数据并将状态切换为full，如果Buffer是full的，给定read信号会读出寄存器中的数据并将状态切换为empty。实现如下：

class FIFORegister(size: Int) extends Module {
    
    val io = IO(new Bundle {
    
        val enq = new WriterIO(size)
        val deq = new ReaderIO(size)
    })
    
    val empty :: full :: Nil = Enum(2)
    val stateReg = RegInit(empty)
    val dataReg = RegInit(0.U(size.W))

    when(stateReg === empty) {
    
        when(io.enq.write) {
    
            stateReg := full
            dataReg := io.enq.din
        }
    } .elsewhen(stateReg === full) {
    
        when(io.deq.read) {
    
            stateReg := empty
            dataReg := 0.U      // 单纯方便在波形图中看是不是空了
        }
    } .otherwise {
    
        // 也应该没有“否则”的状态了
    }

    io.enq.full := stateReg === full
    io.deq.empty := stateReg === empty
    io.deq.dout := dataReg
}

用单FIFO构建完整的FIFO（Bubble FIFO）

上面的FIFORegister的缓冲区只能存放一个数据，这一小节我们实现可定义深度的FIFO，即完整的FIFO，将会实现为BubbleFifo类，它的接口和FIFORegister的接口是一样的，但是它有两个参数，一个是用于给定数据宽度的size，另一个是用于给定Buffer深度的depth。

我们可以用depth个FIFORegister来构建深度为depth的气泡FIFO Buffer。我们将这些单个的Buffer放到一个Scala的Array里面来创建多Buffer。不过Scala的数组没有硬件意义，只是提供了一个用来引用被创建的Buffer的容器。然后我们可以用一个for循环将这些Buffer链接起来。第一个Buffer的入队端链接到完整的FIFO的入队IO上，同样，最后一个Buffer的出队端也链接到完整的FIFO的出队IO上。实现代码如下：

class BubbleFifo(size: Int, depth: Int) extends Module {
    
    val io = IO(new Bundle {
    
        val enq = new WriterIO(size)
        val deq = new ReaderIO(size)
    })

    val buffers = Array.fill(depth) {
    
        Module(new FIFORegister(size))
    }

    for (i <- 0 until depth - 1) {
    
        buffers(i + 1).io.enq.din := buffers(i).io.deq.dout
        buffers(i + 1).io.enq.write := buffers(i).io.deq.read
        buffers(i).io.deq.read := ~buffers(i + 1).io.enq.full
    }

    io.enq <> buffers(0).io.enq
    io.deq <> buffers(depth - 1).io.deq
}

这个通过把多个单Buffer串联起来实现FIFO的方法叫做气泡FIFO，即Bubble FIFO，因为数据跟气泡一样穿过队列。

结语

这一篇文章介绍了FIFO Buffer的概念，然后用Chisel实现了单Buffer的FIFO，接着又用单Buffer实现了完整的FIFO Buffer，即气泡Buffer。这种方法很简单，在数据率低于时钟频率的时候很好用，比如在作为串口的解耦合缓冲区的时候，下一篇文章就会介绍在串口中使用Bubble FIFO。然而在数据率达到时钟频率的时候，Bubble FIFO就存在两个限制了：一是因为每个Buffer的状态都在empty和full之间来回切换，这就意味着FIFO存在每个字两时钟周期的吞吐上限；二是数据需要像气泡一样穿过完整的FIFO，从因此从输如到输出的时延至少为Buffer的深度。对于这两个问题，在下下篇文章中也会得到解决。