FIFO的閾值如何設(shè)置

什么是FIFO？

FIFO是First in First out 的縮寫(xiě)，一般是由寄存器reg或者ram搭起來(lái)的，相對(duì)于普通存儲(chǔ)器而言，F(xiàn)IFO沒(méi)有地址可操作的地址總線(xiàn)，因而使用比較方便，但是數(shù)據(jù)只能像水流一樣排隊(duì)進(jìn)排隊(duì)出。

什么情況下使用FIFO？

FIFO一般發(fā)生在不同時(shí)鐘域下數(shù)據(jù)的交互或者同一時(shí)鐘域下寫(xiě)快讀慢的情況下，就像“蓄水池“一樣，讓下游來(lái)不及處理的數(shù)據(jù)暫存起來(lái)，不會(huì)因此而發(fā)生數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)然寫(xiě)時(shí)鐘數(shù)據(jù)不能一直是持續(xù)的寫(xiě)入，否則再大的fifo遲早也會(huì)溢出。寫(xiě)時(shí)鐘側(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)是突發(fā)寫(xiě)入，在某一段時(shí)間內(nèi)寫(xiě)數(shù)據(jù)是大于讀數(shù)據(jù)的，此時(shí)FIFO的深度要保證這段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)不會(huì)溢出。從長(zhǎng)時(shí)間軸來(lái)看寫(xiě)口和讀口流量必定是均衡的。從帶寬角度來(lái)看寫(xiě)帶寬是大于讀帶寬的，F(xiàn)IFO的作用就是完成大帶寬到小帶寬的轉(zhuǎn)變。

什么是FIFO的閾值？

FIFO的接口信號(hào)一般會(huì)有將滿(mǎn)prog_full和prog_empty信號(hào)，對(duì)應(yīng)afull_cnt將滿(mǎn)閾值和aempty_cnt 將空閾值；當(dāng)FIFO的數(shù)據(jù)data_count大于afull_cnt 時(shí)，將滿(mǎn)afull 將會(huì)拉高，由于路徑上有一定延時(shí)（Nxclk）因此必須要提前通知上游模塊，不要再給下游模塊發(fā)數(shù)據(jù)了，否則FIFO會(huì)溢出，不會(huì)使用full滿(mǎn)信號(hào)作為通知上游的反壓信號(hào)。Prog_empty 信號(hào)一般不會(huì)使用，使用empty，F(xiàn)IFO非空即讀。

FIFO的閾值如何設(shè)置？

1.當(dāng)FIFO的數(shù)據(jù)等于afull_cnt時(shí)，afull 開(kāi)始拉高，反壓 路徑延時(shí)M拍到達(dá)上游模塊Module A，此時(shí)FIFO中的數(shù) 據(jù)拍數(shù)為afull_cnt + M

2.上游模塊ModuleA 收到afull信號(hào)后開(kāi)始響應(yīng)，但是還 會(huì)給下游發(fā)送路徑流水?dāng)?shù)據(jù)N拍

此時(shí)FIFO中的數(shù)據(jù)為afull_cnt +M +N

3.為了數(shù)據(jù)不會(huì)溢出，F(xiàn)ifo_depth >= afull_cnt +M +N ;得到afull_cnt <=Fifo_depth –(M+N)

FIFO的深度如何計(jì)算？

上述而得到的afull_cnt 最大值，沒(méi)有得到下限值。在沒(méi)有考慮反壓期間下游Module B 需要讀出的數(shù)據(jù)，為了保證FIFO不會(huì)被讀空。

這里考慮FIFO是異步（wclk快于rclk）的場(chǎng)景，（M+N）是寫(xiě)時(shí)鐘wclk域下的時(shí)鐘周期拍數(shù)，而在讀時(shí)鐘rclk域下時(shí)鐘周期拍數(shù)（rclk/wclk）*（M+N）；反壓期間FIFO需要至少要存有M+N拍數(shù)據(jù)以防被下游模塊讀空，導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷流（極限情況下rclk=wclk） ；

FIFO的深度一方面要要能緩存當(dāng)起反壓afull后上游的數(shù)據(jù)流水；另一方面也要使得當(dāng)反壓撤銷(xiāo)后不會(huì)被下游讀空，Afull_cnt應(yīng)不小于(M+N)。從而得到fifo_depth >=(M+N)+ (M+N) =2*（M+N）。

由于異步FIFO通過(guò)比較讀寫(xiě)指針進(jìn)行滿(mǎn)空判斷，但是讀寫(xiě)指針屬于不同的時(shí)鐘域，所以在比較之前需要先將讀寫(xiě)指針進(jìn)行同步處理,這樣在設(shè)計(jì)的時(shí)候讀寫(xiě)指針用了至少兩級(jí)寄存器同步，同步會(huì)消耗至少兩個(gè)時(shí)鐘周期，勢(shì)必會(huì)使得判斷空或滿(mǎn)有所延遲。滿(mǎn)判斷時(shí)并不是真的滿(mǎn)，有2個(gè)地址不會(huì)進(jìn)行讀寫(xiě)，因此在理論計(jì)算的fifo的深度上要多加2。通常FIFO深度會(huì)留有20%左右的裕量；而且對(duì)與異步FIFO而言FIFO的深度只能是2^n

如下圖所示，如果afull_cnt設(shè)的過(guò)小假設(shè)為5 M+N=15 fifo將會(huì)被讀空。導(dǎo)致數(shù)據(jù)斷流T->T+15 是起反壓期間，寫(xiě)多少，讀走多少，data_count 不會(huì)變化維持在afull_cnt 上，當(dāng)撤銷(xiāo)反壓之后(T+15->T+30) 這段時(shí)間不會(huì)有數(shù)據(jù)寫(xiě)入，因此必須使得afull_cnt 大于M+N.

此例，對(duì)于異步FIFO而言，fifo深度理論計(jì)算至少等于2*15+2 =32 正好是2^n,為了設(shè)計(jì)的可靠性，一般會(huì)預(yù)留一定裕量，異步FIFO的深度將會(huì)擴(kuò)大一倍，depth=64；15<=Afull_cnt <64-15=49;這個(gè)區(qū)間內(nèi)都是合理的。

FIFO的深度計(jì)算公式

1.如果從帶寬的角度分析FIFO的深度，則FIFO的深度和寫(xiě)口和讀口最大帶寬差有關(guān)。

帶寬計(jì)算公式：bw=freq*data_width

一般考慮的場(chǎng)景：空閑----bust-----空閑----bust

深度計(jì)算公式：T(bust)*bw(read)+fifo_depth >=T(bust)*bw(write)

且保證空閑時(shí)間內(nèi)slave把FIFO讀空：T(空間)*bw(read) >=fifo_dpeth

極端的場(chǎng)景：空閑---bust---bust----空--- （背靠背場(chǎng)景）

深度計(jì)算公式：T(bust)*bw(read)+fifo_depth >=2*T(bust)*bw(write)

且保證空閑時(shí)間內(nèi)slave把FIFO讀空：T(空閑時(shí)間)*bw(read) >=fifo_dpeth

2.FIFO用于緩沖塊數(shù)據(jù)流，一般用在寫(xiě)快讀慢時(shí)，遵循的規(guī)則如下：

{FIFO深度 /（寫(xiě)入速率 - 讀出速率）} = {FIFO被填滿(mǎn)時(shí)間} > {數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間}= {寫(xiě)入數(shù)據(jù)量 / 寫(xiě)入速率}

即：保對(duì)FIFO寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)不存在overflow,從FIFO讀出數(shù)據(jù)時(shí)不存在underflow

計(jì)算公式如下：

fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk

寫(xiě)時(shí)鐘頻率w_clk,

讀時(shí)鐘頻率 r_clk,

寫(xiě)時(shí)鐘周期里，每B個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)有A個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入FIFO

讀時(shí)鐘周期里，每Y個(gè)時(shí)鐘周期會(huì)有X個(gè)數(shù)據(jù)讀出FIFO