異步FIFO常用于跨時鐘域之間的數據傳輸，其可以實現數據的存儲，也可以處理異步時鐘數據傳輸的亞穩態問題。異步FIFO的設計其關鍵點：通過格雷碼對內部讀寫指針進行編碼，然后比較產生空滿標志，以維護FIFO的正常工作。

很多人在面試時被問到為什么異步FIFO中需要用到格雷碼，可能大部分的答案是格雷碼可以消除亞穩態。這種回答比較模糊，今天我們就針對這個來深入探討一下。如下圖所示：

Push信息產生的連續寫指針wpt, 通過同步后，在rclk域與rpt進行比較，以產生rclk域的Empty信號。Empty信號用于控制讀操作，以避免在FIFO為空時仍然進行讀操作而導致的錯誤，并影響后續所有的FIFO讀操作。

Pop 信息產生的連續讀指針rpt, 通過同步后，在wclk域與wpt進行比較，以產生wclk域的Full信號。Full信號用于控制寫操作，以避免在FIFO為滿時仍然進行寫操作而導致的錯誤，并影響后續的所有的FIFO寫操作。

異步時鐘產生的亞穩態發生在不同時鐘域信號wpt和rpt的比較上。對于多bit的讀寫指針信號，在跨時鐘域傳輸時會存在bit之前不同延時導致的毛刺，比如寫地址在從0111到1000轉換時4條地址線都會跳變，這樣在寫地址同步到讀時鐘域后得到的寫地址可能是0000-1111的某個值，因此本來wpt = rpt的情況變成了wpt > rpt的情況，本來應該出現空狀態，因為亞穩態導致未被發現，讀操作繼續進行，從而影響了整個FIFO的功能。

我們知道，格雷碼編碼的連續數值之間只有1bit會發生變化，這種特性其實不能消除異步時鐘數據傳輸出現的亞穩態。假設格雷碼編碼的寫地址從001(2)->011(3)，讀時鐘域同步出錯，寫地址為001->001，也就是地址沒有跳變，此時用這個錯誤的寫地址與讀地址進行比較，出現虛假的空標志，但這種虛空只是提前阻止了后續的讀操作，不會發生讀空的情況，因此不會影響后續的操作及整個FIFO的功能。

同樣對于讀地址同步到寫時鐘域時也會出現虛滿的情況，這種虛空和虛滿，不會影響FIFO的功能，因此gray碼保證的是在出現亞穩態的情形下，FIFO依然能夠正常的工作。

審核編輯：劉清