由于平時我們工作中，F(xiàn)IFO都是直接調用IP核，對于FIFO深度選擇并沒有很在意，而在筆試面試過程中，經常被問及的問題之一就是如何計算FIFO深度。

當讀數(shù)據的速率小于寫數(shù)據的速率時，我們需要先將數(shù)據緩存下來，那么我們需要開多大的空間緩存這些數(shù)據呢？緩存開大了會浪費資源，開小了會丟失數(shù)據，如何去計算最小FIFO深度是本文的重點。

本文涵蓋了FIFO最小深度計算所有情況：

假如模塊A不間斷的往FIFO中寫數(shù)據，模塊B同樣不間斷的從FIFO中讀數(shù)據，不同的是模塊A寫數(shù)據的時鐘頻率要大于模塊B讀數(shù)據的時鐘頻率，那么在一段時間內總是有一些數(shù)據沒來得及被讀走，如果系統(tǒng)一直在工作，那么那些沒有被讀走的數(shù)據會越累積越多，那么FIFO的深度需要是無窮大的;

但是若寫操作是連續(xù)的數(shù)據流，那么再大的FIFO都無法保證數(shù)據不溢出。因此可以認為這種情況下寫數(shù)據的傳輸是“突發(fā)Burst”的，即寫操作并不連續(xù)；

要確定FIFO的深度，關鍵在于計算出在突發(fā)讀寫這段時間內有多少個數(shù)據沒有被讀走。即FIFO的最小深度就等于沒有被讀走的數(shù)據個數(shù)。

Case1 fa》fb with no idle cycles in both write and read

即寫時鐘快于讀時鐘，寫和讀的過程中沒有空閑周期;

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=80MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

在突發(fā)傳輸過程中，數(shù)據都是連續(xù)讀寫的

那么：

寫一個數(shù)據所需要的時間 = 1/80MHz = 12.5ns

突發(fā)傳輸中，寫完所有數(shù)據所需要的時間 = 120*12.5ns = 1500ns

讀一個數(shù)據所需要的時間 = 1/50MHz = 20ns

所以寫完所有的突發(fā)傳輸數(shù)據需要花費1500ns

在1500ns內能夠讀走的數(shù)據個數(shù) = 1500ns/20ns = 75

所以在1500ns內還沒有被讀走的數(shù)據個數(shù) = 120-75 = 45

因此FIFO的最小深度為45

Case2 fa》fb with two clock cycle delay between two successive read and write

即寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，但在讀寫的過程中存在空閑周期;

Case2在Case1的基礎上增加了一個假設，即讀比寫慢兩拍。這種假設是真正存在的，在異步FIFO設計中，我們需要去判斷FIFO的空滿來保證邏輯的正確性，判斷空滿標志需要去比較讀寫指針，而讀指針與寫指針處在不同的時鐘域中，我們需要采用格雷碼和兩級同步寄存器去降低亞穩(wěn)態(tài)的概率，而兩級同步必然會導致空滿標志位的判斷至少延遲2個cycle。對于空標志位來說，將寫指針同步到讀時鐘域至少需要花費2個時鐘，而在同步這段時間內有可能還會寫入新的數(shù)據，因此同步后的寫指針一定小于或等于（當且僅有同步時間內沒有新數(shù)據寫入的情況下才會等于）當前的寫指針，所以此時判斷不一定是真空；同理，對于滿標志位來說，將讀指針同步到讀時鐘域至少需要花費2個時鐘，而在同步這段時間內有可能還會讀出新的數(shù)據，因此同步后的讀指針一定小于或等于當前讀指針，所以此時判斷并不一定是真滿。

通過上述討論可以知道Case2的FIFO最小深度應該比場景1的FIFO最小深度45略大。

Case3 fa 》 fb with idle cycles in both write and read

即寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，但在讀寫的過程中存在空閑周期；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=80MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

連續(xù)寫入之間的空閑周期為1。

連續(xù)讀取之間的空閑周期為3。

那么：

兩個連續(xù)寫之間的空閑周期為1個時鐘周期。它的意思是，在寫入一個數(shù)據后，模塊A等待一個時鐘周期，開始下一個寫入。因此，可以理解為每兩個時鐘周期，一個數(shù)據被寫入;

兩個連續(xù)讀取之間的空閑周期為3個時鐘周期。即讀取一個數(shù)據后，B模塊等待3個時鐘周期，開始下一次讀取。因此，我們可以理解，每四個時鐘周期，讀取一個數(shù)據;

寫一個數(shù)據所需要的時間 = 2*1/80MHz = 25ns

突發(fā)傳輸中，寫完所有數(shù)據所需要的時間 = 120*25ns = 3000ns

讀一個數(shù)據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns

所以寫完所有的突發(fā)傳輸數(shù)據需要花費3000ns

在3000ns內能夠讀走的數(shù)據個數(shù) = 3000ns/80ns = 37.5

所以在3000ns內還沒有被讀走的數(shù)據個數(shù) = 120-37.5 = 82.5

因此FIFO的最小深度為83

Case4 fa 》 fb with duty cycles given for wr_enb and rd_enb.

即寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，給定wr_enb和rd_enb的占空比；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=80MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

寫使能信號占整個burst時間比重為1/2

讀使能信號占整個burst時間比重為1/4

那么：

此場景與前一個場景（場景3）沒有任何不同，因為在本例中，一個數(shù)據項將在2個時鐘周期內寫入，而一個數(shù)據項將在4個時鐘周期內讀取。

因此FIFO的最小深度也為83

Case5 fA 《 fB with no idle cycles in both write and read （ the delay between two consecutive writes and reads is one clock cycle）

即寫時鐘頻率小于讀時鐘頻率，且讀寫過程中沒有空閑周期；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=30MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

在突發(fā)傳輸過程中，數(shù)據都是連續(xù)讀寫的

那么：

由于讀數(shù)據比寫數(shù)據要快，這種情況下永遠也不會發(fā)生數(shù)據丟失的，因此FIFO只起到過時鐘域的作用，F(xiàn)IFO的最小深度為1即可；

Case6 fa 《 fb with idle cycles in both write and read（duty cycles of wr_enb and rd_enb can also be given in these type of questions）。

即寫時鐘頻率小于讀時鐘頻率，給定wr_enb和rd_enb的占空比；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=40MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

連續(xù)寫入之間的空閑周期為1。

連續(xù)讀取之間的空閑周期為3。

那么：

兩個連續(xù)寫之間的空閑周期為1個時鐘周期。它的意思是，在寫入一個數(shù)據后，模塊A等待一個時鐘周期，開始下一個寫入。因此，可以理解為每兩個時鐘周期，一個數(shù)據被寫入;

兩個連續(xù)讀取之間的空閑周期為3個時鐘周期。即讀取一個數(shù)據后，B模塊等待3個時鐘周期，開始下一次讀取。因此，我們可以理解，每四個時鐘周期，讀取一個數(shù)據;

寫一個數(shù)據所需要的時間 = 2*1/40MHz = 50ns

突發(fā)傳輸中，寫完所有數(shù)據所需要的時間 = 120*50ns = 6000ns

讀一個數(shù)據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns

所以寫完所有的突發(fā)傳輸數(shù)據需要花費6000ns

在6000ns內能夠讀走的數(shù)據個數(shù) = 6000ns/80ns = 75

所以在6000ns內還沒有被讀走的數(shù)據個數(shù) = 120-75 = 45

因此FIFO的最小深度為45

Case7 fA = fB with no idle cycles in both write and read （ the delay between two consecutive writes and reads is one clock cycle）。

即寫時鐘頻率等于讀時鐘頻率，且讀寫過程中沒有空閑周期；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=50MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

讀和寫都沒有空閑周期，這意味著突發(fā)中的所有項都將以連續(xù)的時鐘周期寫入和讀取

那么：

如果clkA和clkB之間沒有相位差，則不需要FIFO；

如果clkA和clkB之間存在相位差，深度“1”的FIFO就足夠了。

Case8 fA = fB with idle cycles in both write and read （duty cycles of wr_enb and rd_enb can also be given in these type of questions）。

即寫時鐘頻率等于讀時鐘頻率，給定wr_enb和rd_enb的占空比；

假設：

寫數(shù)據時鐘頻率fa=50MHz

讀數(shù)據時鐘頻率fb=50MHz

突發(fā)長度= number of data to be transferred = 120

連續(xù)寫入之間的空閑周期為1。

連續(xù)讀取之間的空閑周期為3。

那么：

兩個連續(xù)寫之間的空閑周期為1個時鐘周期。它的意思是，在寫入一個數(shù)據后，模塊A等待一個時鐘周期，開始下一個寫入。因此，可以理解為每兩個時鐘周期，一個數(shù)據被寫入;

兩個連續(xù)讀取之間的空閑周期為3個時鐘周期。即讀取一個數(shù)據后，B模塊等待3個時鐘周期，開始下一次讀取。因此，我們可以理解，每四個時鐘周期，讀取一個數(shù)據;

寫一個數(shù)據所需要的時間 = 2*1/50MHz = 40ns

突發(fā)傳輸中，寫完所有數(shù)據所需要的時間 = 120*40ns = 4800ns

讀一個數(shù)據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns

所以寫完所有的突發(fā)傳輸數(shù)據需要花費4800ns

在4800ns內能夠讀走的數(shù)據個數(shù) = 4800ns/80ns = 60

所以在4800ns內還沒有被讀走的數(shù)據個數(shù) = 120-60 = 60

因此FIFO的最小深度為60

Case9 如果數(shù)據速率如下所示

在前面幾種場景中，我們給的條件都是每隔幾個時鐘讀寫一次，這種周期性讀寫在實際中很常見。但是在工程設計中還存在這樣一種情形，只給出數(shù)據在一段時間內的讀寫速率，怎么讀寫完全隨機，這種情況我們需要考慮最壞的一種情況避免數(shù)據丟失。

對于最壞的情況，讀寫之間的數(shù)據速率差異應該是最大的。因此，對于寫操作，應該考慮最大數(shù)據速率，對于讀操作，應該考慮最小數(shù)據速率。

寫數(shù)據時鐘頻率fa=讀數(shù)據時鐘頻率fb

在寫時鐘周期內，每100個周期就有80個數(shù)據寫入FIFO

在讀時鐘周期內，每10個周期可以有8個數(shù)據讀出FIFO

以下是一些可能性：

下面是從上圖中觀察到的情況：

寫操作的最大數(shù)據速率在上表格中case - 4。（寫操作在最小的時間內完成）。因此，考慮case - 4來進行進一步的計算。

首先這里沒有給出數(shù)據的突發(fā)長度，從假設中可以得出每100個周期就有80個數(shù)據寫入FIFO，這里可能就有人會說突發(fā)長度就是80個數(shù)據，其實不是這樣的，因為數(shù)據是隨機寫入FIFO的，我們需要考慮做壞的情形，即寫速率最大的情形，只有如下圖背靠背的情形才是寫速率最高的情形，burst length為160；

在讀時鐘周期內，每10個周期可以有8個數(shù)據讀出FIFO；即一個周期可以寫入 8/10 數(shù)據

所以160個時鐘讀了160*8/10 = 128個數(shù)據；

考慮背靠背（20個clk不發(fā)數(shù)據+80clk發(fā)數(shù)據+80clk發(fā)數(shù)據+20clk不發(fā)數(shù)據的共200個clk）

因此FIFO的最小深度=160 - 128 = 32

總結

從上面分析來看，求FIFO的最小深度主要有以下要點：

在求解之前需要驗證一下在允許的最大時間長度內寫入的數(shù)據量是否等于讀出的數(shù)據量，保證有解；

求FIFO深度需要考慮最壞的情形，讀寫的速率應該相差最大，也就是說需要找出最大的寫速率和最小的讀速率；

不管什么場景，要確定FIFO的深度，關鍵在于計算出在突發(fā)讀寫這段時間內有多少個數(shù)據沒有被讀走；

由于FIFO空滿標志位的判斷延遲，在實際應用中需要預留一些余量。

下面我們來推導一下FIFO深度的求解公式，假設：

寫時鐘周期為clkw

讀時鐘周期為clkr

在讀時鐘周期內，每x個周期內可以有y個數(shù)據讀出FIFO，即讀數(shù)據的讀數(shù)率

在寫時鐘周期內，每m個周期內就有n個數(shù)據寫入FIFO

背靠背“的情形下是FIFO讀寫的最壞情形，burst長度 B = 2*n

由上得到：FIFO的最小深度為 B - B * （clkr/clkw） * （y/x）

原文標題：FIFO深度計算

文章出處：【微信公眾號：FPGA之家】歡迎添加關注！文章轉載請注明出處。

責任編輯：haq