異步fifo詳解

一. 什么是異步FIFO

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

FIFO是一種數(shù)據(jù)緩沖器，用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)先入先出的讀/寫方式。FIFO有一個寫端口和一個讀端口，外部無需使用者控制地址，使用方便。FIFO與普通的Block RAM有一個很明顯的區(qū)別就是使用Block RAM來做數(shù)據(jù)緩存處理，使用者必須自己控制讀和寫地址的管理，必須保證寫的數(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)錯誤，同時保證讀的時候要讀出未被寫入的地址。而采用FIFO時，只需要關(guān)注FIFO控制器給出的空滿狀態(tài)信號即可知道當(dāng)前有沒有錯誤的操作了FIFO，使FIFO的數(shù)據(jù)寫溢出或讀空。

異步FIFO讀寫分別采用相互異步的不同時鐘，使用異步FIFO可以在兩個不同時鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實時數(shù)據(jù)

FIFO的常見參數(shù)

FIFO的寬度：即FIFO一次讀寫操作的數(shù)據(jù)位；

FIFO的深度：指的是FIFO可以存儲多少個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時由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個信號，以阻止FIFO的寫操作繼續(xù)向FIFO中寫數(shù)據(jù)而造成溢出（overflow）。

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

讀時鐘：讀操作所遵循的時鐘，在每個時鐘沿來臨時讀數(shù)據(jù)。

寫時鐘：寫操作所遵循的時鐘，在每個時鐘沿來臨時寫數(shù)據(jù)。

二、設(shè)計原理

2.1結(jié)構(gòu)框圖

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

另外還有寫指針wr_ptr和寫滿標(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RAM模塊。

2.2 二進(jìn)制計數(shù)器存在的問題

異步FIFO讀寫指針需要在數(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，但由于讀寫指針屬于不同的時鐘域及讀寫時鐘相位關(guān)系的不確定性，同步模塊采集另一時鐘域的指針時，此指針有可能正處在跳變的過程中，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，不期望的錯誤結(jié)果也會隨之發(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)情況下都會有兩位或者兩以上的bit位在同一個遞增操作內(nèi)發(fā)生變化，但由于實際電路中會存在時鐘偏差和不同的路徑延時，二進(jìn)制計數(shù)器在自增時會不可避免地產(chǎn)生錯誤的中間結(jié)果，如下圖。

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

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