異步fifo詳解

一. 什么是異步FIFO

FIFO即First in First out的英文簡(jiǎn)稱，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別在于沒(méi)有外部讀寫(xiě)的地址線，缺點(diǎn)是只能順序的讀取和寫(xiě)入數(shù)據(jù)（對(duì)于大型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在性能上必然緩慢），其數(shù)據(jù)地址是由內(nèi)部讀寫(xiě)指針自動(dòng)加一完成的，不能像普通的存儲(chǔ)器一樣，由地址線決定讀取或者寫(xiě)入某個(gè)特定地址的數(shù)據(jù)，按讀寫(xiě)是否為相同時(shí)鐘域分為同步和異步FIFO，這里主要介紹異步FIFO，主要用于跨時(shí)鐘域傳輸數(shù)據(jù)。

FIFO是一種數(shù)據(jù)緩沖器，用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)先入先出的讀/寫(xiě)方式。FIFO有一個(gè)寫(xiě)端口和一個(gè)讀端口，外部無(wú)需使用者控制地址，使用方便。FIFO與普通的Block RAM有一個(gè)很明顯的區(qū)別就是使用Block RAM來(lái)做數(shù)據(jù)緩存處理，使用者必須自己控制讀和寫(xiě)地址的管理，必須保證寫(xiě)的數(shù)據(jù)不把Block RAM中未被讀出的內(nèi)容覆蓋掉從而造成數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，同時(shí)保證讀的時(shí)候要讀出未被寫(xiě)入的地址。而采用FIFO時(shí)，只需要關(guān)注FIFO控制器給出的空滿狀態(tài)信號(hào)即可知道當(dāng)前有沒(méi)有錯(cuò)誤的操作了FIFO，使FIFO的數(shù)據(jù)寫(xiě)溢出或讀空。

異步FIFO讀寫(xiě)分別采用相互異步的不同時(shí)鐘，使用異步FIFO可以在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

FIFO的常見(jiàn)參數(shù)

FIFO的寬度：即FIFO一次讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)位；

FIFO的深度：指的是FIFO可以存儲(chǔ)多少個(gè)N位的數(shù)據(jù)（如果寬度為N）。

滿標(biāo)志：FIFO已滿或?qū)⒁獫M時(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIFO的寫(xiě)操作繼續(xù)向FIFO中寫(xiě)數(shù)據(jù)而造成溢出（overflow）。

空標(biāo)志：FIFO已空或?qū)⒁諘r(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIFO的讀操作繼續(xù)從FIFO中讀出數(shù)據(jù)而造成無(wú)效數(shù)據(jù)的讀出（underflow）。

讀時(shí)鐘：讀操作所遵循的時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)讀數(shù)據(jù)。

寫(xiě)時(shí)鐘：寫(xiě)操作所遵循的時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)。

二、設(shè)計(jì)原理

2.1結(jié)構(gòu)框圖

如上圖所示的同步模塊synchronize to write clk，其作用是把讀時(shí)鐘域的讀指針rd_ptr采集到寫(xiě)時(shí)鐘（wr_clk）域，然后和寫(xiě)指針wr_ptr進(jìn)行比較從而產(chǎn)生或撤消寫(xiě)滿標(biāo)志位wr_full；類似地，同步模塊synchronize to read clk的作用是把寫(xiě)時(shí)鐘域的寫(xiě)指針wr_ptr采集到讀時(shí)鐘域，然后和讀指針rd_ptr進(jìn)行比較從而產(chǎn)生或撤消讀空標(biāo)志位rd_empty。

另外還有寫(xiě)指針wr_ptr和寫(xiě)滿標(biāo)志位wr_full產(chǎn)生模塊，讀指針rd_ptr和讀空標(biāo)志位rd_empty產(chǎn)生模塊，以及雙端口存儲(chǔ)RAM模塊。

2.2 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器存在的問(wèn)題

異步FIFO讀寫(xiě)指針需要在數(shù)學(xué)上的操作和比較才能產(chǎn)生準(zhǔn)確的空滿標(biāo)志位，但由于讀寫(xiě)指針屬于不同的時(shí)鐘域及讀寫(xiě)時(shí)鐘相位關(guān)系的不確定性，同步模塊采集另一時(shí)鐘域的指針時(shí)，此指針有可能正處在跳變的過(guò)程中，如下圖所示，那么采集到的值很有可能是不期望的值，當(dāng)然，不期望的錯(cuò)誤結(jié)果也會(huì)隨之發(fā)生。

上圖中，rd_ptr2sync 3和4以及4和5之間的中間態(tài)是由于到各寄存器的時(shí)鐘rd_clk存在偏差而引起的。二進(jìn)制的遞增操作，在大多數(shù)情況下都會(huì)有兩位或者兩以上的bit位在同一個(gè)遞增操作內(nèi)發(fā)生變化，但由于實(shí)際電路中會(huì)存在時(shí)鐘偏差和不同的路徑延時(shí)，二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在自增時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生錯(cuò)誤的中間結(jié)果，如下圖。

由于rd_clk上升沿到達(dá)三寄存器的時(shí)間各不相同，這就導(dǎo)致了rd_ptr2sync的值從3’b011跳變3’b100的過(guò)程中經(jīng)歷了3’b111和3’b101，直到最后一個(gè)時(shí)鐘（rd_clk0）沿的到來(lái)后rd_ptr2sync才跳變到正確結(jié)果3’b100。中間結(jié)果的持續(xù)的時(shí)間雖然相對(duì)短暫，但是這些不正確的中間結(jié)果完全有可能被其它時(shí)鐘域的同步模塊采集到而產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作，見(jiàn)上圖。

由此可見(jiàn)，要避免中間結(jié)果的產(chǎn)生，其中一個(gè)可行的方案就是使被同步模塊采集的數(shù)據(jù)遞變時(shí)，每次只有一個(gè)bit位發(fā)生改變。格雷碼計(jì)數(shù)器就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。