verilog中，异步fifo连续读写代码。当full还没有等于1时，要提前几个时钟终止写，同时要有输出有效信号，代码是？

Question

verilog中，异步fifo连续读写代码。当full还没有等于1时，要提前几个时钟终止写，比如if(almost_full) wr_en <= 0，这样才会使写数据不丢失。同时，读功能必须允许根据empty且人为控制读的功能（比如我想根据某个条件读--信号rd_en）。同时需要rd_valid信号（即输出有效信号），代码是什么？

Answer 1

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根据您的需求，我为您提供一个带有提前终止写机制和输出有效信号的异步FIFO实现。这个设计包含almost_full标志来提前停止写入，同时支持基于empty信号和外部控制的读取操作。

module async_fifo #(
    parameter DATA_WIDTH = 8,
    parameter ADDR_WIDTH = 4,
    parameter ALMOST_FULL_THRESHOLD = 2  // 提前终止写的阈值
)(
    // 写时钟域
    input wire wr_clk,
    input wire wr_rst_n,
    input wire wr_en,
    input wire [DATA_WIDTH-1:0] wr_data,
    output wire full,
    output wire almost_full,
    
    // 读时钟域  
    input wire rd_clk,
    input wire rd_rst_n,
    input wire rd_en,
    output wire [DATA_WIDTH-1:0] rd_data,
    output wire empty,
    output reg rd_valid
);


    // 内部信号定义
    reg [DATA_WIDTH-1:0] mem [(1<<ADDR_WIDTH)-1:0];
    reg [ADDR_WIDTH:0] wr_ptr, wr_ptr_gray;
    reg [ADDR_WIDTH:0] rd_ptr, rd_ptr_gray;
    reg [ADDR_WIDTH:0] wr_ptr_sync1, wr_ptr_sync2;
    reg [ADDR_WIDTH:0] rd_ptr_sync1, rd_ptr_sync2;
    
    wire [ADDR_WIDTH:0] wr_ptr_gray_next;
    wire [ADDR_WIDTH:0] rd_ptr_gray_next;
    
    // 格雷码转换
    function [ADDR_WIDTH:0] bin2gray;
        input [ADDR_WIDTH:0] bin;
        begin
            bin2gray = bin ^ (bin >> 1);
        end
    endfunction
    
    // 同步写指针到读时钟域
    always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
        if (!rd_rst_n) begin
            wr_ptr_sync1 <= 0;
            wr_ptr_sync2 <= 0;
        end else begin
            wr_ptr_sync1 <= wr_ptr_gray;
            wr_ptr_sync2 <= wr_ptr_sync1;
        end
    end
    
    // 同步读指针到写时钟域
    always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
        if (!wr_rst_n) begin
            rd_ptr_sync1 <= 0;
            rd_ptr_sync2 <= 0;
        end else begin
            rd_ptr_sync1 <= rd_ptr_gray;
            rd_ptr_sync2 <= rd_ptr_sync1;
        end
    end
    
    // 空满判断
    assign full = (wr_ptr_gray == {~rd_ptr_sync2[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1], 
                                  rd_ptr_sync2[ADDR_WIDTH-2:0]});
    
    assign empty = (rd_ptr_gray == wr_ptr_sync2);
    
    // almost_full计算：当剩余空间小于等于阈值时置位
    wire [ADDR_WIDTH:0] wr_ptr_bin_sync;
    wire [ADDR_WIDTH:0] rd_ptr_bin_sync;
    reg [ADDR_WIDTH:0] fifo_count;
    
    // 格雷码转二进制（用于almost_full计算）
    function [ADDR_WIDTH:0] gray2bin;
        input [ADDR_WIDTH:0] gray;
        reg [ADDR_WIDTH:0] bin;
        integer i;
        begin
            bin[ADDR_WIDTH] = gray[ADDR_WIDTH];
            for (i = ADDR_WIDTH-1; i >= 0; i = i-1)
                bin[i] = bin[i+1] ^ gray[i];
            gray2bin = bin;
        end
    endfunction
    
    assign wr_ptr_bin_sync = gray2bin(wr_ptr_sync2);
    assign rd_ptr_bin_sync = gray2bin(rd_ptr_sync2);
    
    always @(*) begin
        if (wr_ptr >= rd_ptr_bin_sync)
            fifo_count = wr_ptr - rd_ptr_bin_sync;
        else
            fifo_count = (1<<(ADDR_WIDTH+1)) - rd_ptr_bin_sync + wr_ptr;
    end
    
    assign almost_full = (fifo_count >= ((1<<ADDR_WIDTH) - ALMOST_FULL_THRESHOLD));
    
    // 写逻辑
    wire wr_en_actual = wr_en && !full;
    
    always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n) begin
        if (!wr_rst_n) begin
            wr_ptr <= 0;
            wr_ptr_gray <= 0;
        end else if (wr_en_actual) begin
            mem[wr_ptr[ADDR_WIDTH-1:0]] <= wr_data;
            wr_ptr <= wr_ptr + 1;
            wr_ptr_gray <= bin2gray(wr_ptr + 1);
        end
    end
    
    // 读逻辑
    wire rd_en_actual = rd_en && !empty;
    
    always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n) begin
        if (!rd_rst_n) begin
            rd_ptr <= 0;
            rd_ptr_gray <= 0;
            rd_valid <= 0;
        end else begin
            rd_valid <= 0;
            if (rd_en_actual) begin
                rd_ptr <= rd_ptr + 1;
                rd_ptr_gray <= bin2gray(rd_ptr + 1);
                rd_valid <= 1;
            end
        end
    end
    
    assign rd_data = mem[rd_ptr[ADDR_WIDTH-1:0]];


endmodule

// 测试代码示例
module async_fifo_tb;
    parameter DATA_WIDTH = 8;
    parameter ADDR_WIDTH = 4;
    
    reg wr_clk, rd_clk;
    reg wr_rst_n, rd_rst_n;
    reg wr_en, rd_en;
    reg [DATA_WIDTH-1:0] wr_data;
    wire [DATA_WIDTH-1:0] rd_data;
    wire full, almost_full, empty;
    wire rd_valid;
    
    // 实例化异步FIFO
    async_fifo #(
        .DATA_WIDTH(DATA_WIDTH),
        .ADDR_WIDTH(ADDR_WIDTH),
        .ALMOST_FULL_THRESHOLD(2)
    ) u_fifo (
        .wr_clk(wr_clk),
        .wr_rst_n(wr_rst_n),
        .wr_en(wr_en),
        .wr_data(wr_data),
        .full(full),
        .almost_full(almost_full),
        .rd_clk(rd_clk),
        .rd_rst_n(rd_rst_n),
        .rd_en(rd_en),
        .rd_data(rd_data),
        .empty(empty),
        .rd_valid(rd_valid)
    );
    
    // 时钟生成
    initial begin
        wr_clk = 0;
        forever #10 wr_clk = ~wr_clk; // 50MHz
    end
    
    initial begin
        rd_clk = 0;
        forever #25 rd_clk = ~rd_clk; // 20MHz
    end
    
    // 测试序列
    initial begin
        // 复位
        wr_rst_n = 0;
        rd_rst_n = 0;
        wr_en = 0;
        rd_en = 0;
        wr_data = 0;
        #100;
        
        wr_rst_n = 1;
        rd_rst_n = 1;
        #100;
        
        // 写入测试
        $display("开始写入测试...");
        for (int i = 0; i < 20; i++) begin
            if (almost_full) begin
                $display("检测到almost_full，提前终止写入");
                wr_en = 0;
            end else begin
                wr_en = 1;
                wr_data = i;
            end
            @(posedge wr_clk);
        end
        wr_en = 0;
        
        #100;
        
        // 读取测试
        $display("开始读取测试...");
        for (int i = 0; i < 10; i++) begin
            rd_en = 1;
            @(posedge rd_clk);
            if (rd_valid) begin
                $display("读取数据: %h", rd_data);
            end
        end
        rd_en = 0;
        
        #100;
        $finish;
    end


endmodule

设计要点说明：

1. 提前终止写机制：

• 使用almost_full信号，当FIFO中的数据量接近满时提前置位
• ALMOST_FULL_THRESHOLD参数控制提前终止的阈值

1. 灵活的读控制：

• 支持基于empty信号和外部rd_en信号的读取控制
• 用户可以自定义读取条件

1. 输出有效信号：

• rd_valid信号在读取有效数据时置位
• 确保下游逻辑知道何时数据有效

1. 异步时钟处理：

• 使用格雷码进行指针同步，避免亚稳态
• 独立的写时钟域和读时钟域

这个设计确保了在FIFO接近满时提前停止写入，防止数据丢失，同时提供了灵活的读取控制和明确的数据有效指示。