1. 為什么需要FIFO

FIFO 是First-In First-Out的縮寫，它是一個具有先入先出特點的緩沖區(qū)。

可以理解成一個大的水池，水對應數(shù)據(jù)，注水速度對應數(shù)據(jù)輸入的頻率，放水速度對應數(shù)據(jù)處理的速度，當注水速度和放水速度相同時，我們不需要使用水池來緩沖，但是當注水速度大于放水速度，或者注水速度突然變大時（突發(fā)），為了保證水池不溢出（數(shù)據(jù)不丟失），就需要水池（緩沖區(qū)）來處理這種突發(fā)情況，并設置合理大小的水池空間（FIFO的深度）。

或者為了降低CPU負擔，提高數(shù)據(jù)處理效率，可以在積累到一定的數(shù)據(jù)量之后，再一次性處理。

在FPGA中，F(xiàn)IFO一般是使用RAM存儲器作為緩沖區(qū)，可以分為同步FIFO或異步FIO，一般用于數(shù)據(jù)緩沖，或者不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳遞。

在單片機中，一般是基于一維數(shù)組和結構體實現(xiàn)的循環(huán)隊列（Queue），或者叫環(huán)形隊列。

FIFO的使用，既可以保證數(shù)據(jù)的完整性，還可以讓數(shù)據(jù)被及時的處理。

本文介紹，基于C語言的循環(huán)隊列緩沖區(qū)原理、設計與實現(xiàn)。

2. FIFO的存取順序

定義一個一維數(shù)組當作存儲區(qū)，數(shù)組長度為6，再定義兩個讀寫指針變量。

初始化時，F(xiàn)IFO為空，讀寫指針相等，并都置為0。

寫入一個數(shù)據(jù)1之后，寫指針遞增，讀指針不變：

再寫兩個數(shù)據(jù)2和3，寫指針遞增，讀指針不變：

寫了三個數(shù)據(jù)之后，我們讀出一個數(shù)據(jù)1，寫指針不變，讀指針遞增：

讀出一個數(shù)據(jù)2，再寫兩個數(shù)據(jù)4和5，讀寫指針變化：

再寫一個數(shù)據(jù)6，此時超過數(shù)組長度，但是數(shù)組頭部還有空間，所以寫指針回到數(shù)組起始地址0：

再寫一個數(shù)據(jù)7，此時判斷FIFO滿：

可能會有朋友疑惑，不是還有一個空位置可以存放數(shù)據(jù)嗎？

如果再存入一個數(shù)據(jù)之后，讀寫指針相等，此時可以判斷是滿狀態(tài)嗎？

顯然是不能，因為當FIFO為空時，也是讀寫指針相等，所以這種情況就無法判斷滿和空。

這里就涉及到FIFO設計中，最重要的滿和空的判斷條件，需要遵循FIFO讀寫的兩個規(guī)則：

FIFO為空時，不能執(zhí)行讀操作

FIFO為滿時，不能執(zhí)行寫操作

為了避免這種情況發(fā)生，我們空出一個元素位置，寫指針指向的位置永遠為空，這樣就會有兩種滿的情況：

rd < wr

rd > wr

對于第一種情況，當(wr + 1) % FIFO_SIZE == rd時，可以認為FIFO滿，F(xiàn)IFO_SIZE是指數(shù)組長度；

對于第二種情況，當wr + 1 == rd時，可以認為FIFO滿。

以上兩種情況可以合并為一種，即(wr + 1) % FIFO_SIZE == rd時，判斷FIFO滿。

所以這種判斷方式，會犧牲一個存儲位置，實際可以存儲的元素個數(shù)為FIFO_SIZE-1。

同理，獲取當前FIFO內元素的個數(shù)，也可以分為兩種情況：

當wr > rd時， count = wr - rd

當wr < rd時，count = wr + FIFO_SIZE - rd

3. FIFO的代碼實現(xiàn)

根據(jù)以上FIFO存取邏輯，我們可以使用一維數(shù)組來構造一個環(huán)形緩沖區(qū)，讀寫地址循環(huán)遞增，分別實現(xiàn)FIFO初始化、讀寫操作、判斷空滿、獲取元素個數(shù)等函數(shù)，并封裝成模塊。

xqueue.h

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/* ?*?Copyright(C),?2010-2023,?CSDN?@?whik1194 ?*?Time???????:?2023年4月9日 ?*?Author?????:?https://blog.csdn.net/whik1194 ?*?GitHub?????:?https://gitee.com/whik/xqueue ?*/ #ifndef?__XQUEUE_H__ #define?__XQUEUE_H__ #include?"stdint.h" /*?FIFO數(shù)據(jù)的類型，可以是結構體類型?*/ #define?qdata_t?uint8_t /*?FIFO長度，實際存放的數(shù)據(jù)=FIFO_SIZE-1?*/ #define?FIFO_SIZE?6 typedef?enum?{ ????QUEUE_OK, ????QUEUE_FULL, ????QUEUE_EMPTY }qstatus_t; typedef?struct?{ ????uint16_t?addr_wr;????????/*?寫地址?*/ ????uint16_t?addr_rd;????????/*?讀地址?*/ ????uint16_t?length;?????????/*?FIFO長度，實際存放的數(shù)據(jù)=length-1?*/ ????qdata_t?fifo[FIFO_SIZE]; }queue_t; qstatus_t?queue_reset(queue_t?*q); qstatus_t?queue_read(queue_t?*q,?qdata_t?*pdata); qstatus_t?queue_write(queue_t?*q,?qdata_t?data); int?queue_isFull(queue_t?*q); int?queue_isEmpty(queue_t?*q); int?queue_print(queue_t?*q); #endif

xqueue.c文件

/* ?*?Copyright(C),?2010-2023,?CSDN?@?whik1194 ?*?Time????
???:?2023年4月9日 ?*?Author????
?:?https://blog.csdn.net/whik1194 ?*?GitHub????
?:?https://gitee.com/whik/xqueue ?*/ #include?"xqueue.h" #include?"stdio.h" /*?FIFO復位?*/ qstatus_t?queue_reset(queue_t?*q) { ???
?int?i?=?0; ????q->addr_wr?=?0; ????
q->addr_rd?=?0; ??
??q->length?=?FIFO_SIZE; ????for(i?=?0;?i?length;?i++)
????????q->fifo[i]?=?0;
????return?QUEUE_OK; } /*?FIFO寫入數(shù)據(jù)?*/ qstatus_t?queue_write(queue_t?*q,?qdata_t?data) { ??
??if(queue_isFull(q)) ????{ ????????
printf("Write?failed(%d),?queue?is?full ",?data); ?
???????return?QUEUE_FULL; ??
??} ????q->fifo[q->addr_wr]?=?data; ????q->addr_wr?=?(q->addr_wr?+?1)?%?q->length; ??
??printf("write?success:?%02d ",?data); ????
queue_print(q); ?
???return?QUEUE_OK; } /*?FIFO讀出數(shù)據(jù)?*/ qstatus_t?queue_read(queue_t?*q,?qdata_t?*pdata) { ??
??if(queue_isEmpty(q)) ????{ ????
????printf("Read?failed,?queue?is?empty "); ????
????return?QUEUE_EMPTY; ??
??} ????*pdata?=?q->fifo[q->addr_rd]; ????q->addr_rd?=?(q->addr_rd?+?1)?%?q->length; ????printf("read?success:?%02d ",?*pdata); ??
??queue_print(q); ????return?QUEUE_OK; } /*?FIFO是否為空?*/ int?queue_isEmpty(queue_t?*q) {
????return?(q->addr_wr?==?q->addr_rd); } /*?FIFO是否為滿?*/ int?queue_isFull(queue_t?*q) { ??
??return?((q->addr_wr?+?1)?%?q->length?==?q->addr_rd); } /*?FIFO內數(shù)據(jù)的個數(shù)?*/ int?queue_count(queue_t?*q) {
????if(q->addr_rd?<=?q->addr_wr) ???
?????return?(q->addr_wr?-?q->addr_rd); ????//addr_rd?>?addr_wr; ?
???return?(q->length?+?q->addr_wr?-?q->addr_rd); } /*?打印當前FIFO內的數(shù)據(jù)和讀寫指針的位置?*/ int?queue_print(queue_t?*q) { ?
???int?i?=?0; ????int?j?=?0; ????for(i?=?0;?i?addr_rd;?i++) ?????
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???{ ????????????if(i?addr_wr?||?i?>=?q->addr_rd) ????
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???????else ????????????????printf("[??]?"); ??????
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?for(i?=?0;?i?addr_wr;?i++) ???????
?printf("?????"); ????printf("wr=%d",?q->addr_wr); ??
??printf(" "); ????return?QUEUE_OK; }

實際應用：

/* ?*?Copyright(C),?2010-2023,?CSDN?@?whik1194 ?*?Time?????
??:?2023年4月9日 ?*?Author?????:?https://blog.csdn.net/whik1194 ?*?GitHub?????:?https://github.com/whik/xqueue ?*/ #include?
#include? #include?"xqueue.h" int?main(int?argc,?char?*argv[]) { ??
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????queue_read(&queue,?&data); ??
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??queue_read(&queue,?&data); ?
???queue_read(&queue,?&data); ??
??queue_read(&queue,?&data); ???
?queue_write(&queue,?8); ????
queue_write(&queue,?9); ??
??queue_write(&queue,?10);
????queue_read(&queue,?&data);
????system("pause"); ????return?0; }

運行結果:

循環(huán)隊列元素的數(shù)據(jù)類型，可以根據(jù)需要指定，也可以是結構體類型。

編輯：黃飛

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