異步FIFO的設(shè)計(jì)分析及詳細(xì)代碼

本文首先對異步 FIFO 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行分析，最后給出詳細(xì)代碼。

一、FIFO簡單講解

FIFO的本質(zhì)是RAM， 先進(jìn)先出
重要參數(shù)：fifo深度（簡單來說就是需要存多少個(gè)數(shù)據(jù)）
fifo位寬（每個(gè)數(shù)據(jù)的位寬）

FIFO有同步和異步兩種，同步即讀寫時(shí)鐘相同，異步即讀寫時(shí)鐘不相同

同步FIFO用的少，可以作為數(shù)據(jù)緩存

異步FIFO可以解決跨時(shí)鐘域的問題，在應(yīng)用時(shí)需根據(jù)實(shí)際情況考慮好fifo深度即可

本次要設(shè)計(jì)一個(gè)異步FIFO，深度為8，位寬也是8.

代碼是學(xué)習(xí)Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design Clifford E. Cummings, Sunburst Design, Inc.這篇文章的，百度搜搜很容易找到，雖然是英文的但是寫的確實(shí)值得研究。

下面我會對設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行分析，也是對自己學(xué)習(xí)過程的一個(gè)總結(jié)，希望能和大家交流共同進(jìn)步。

二、設(shè)計(jì)要點(diǎn)解析

1、讀空信號如何產(chǎn)生？寫滿信號如何產(chǎn)生？
讀空信號：復(fù)位的時(shí)候，讀指針和寫指針相等，讀空信號有效（這里所說的指針其實(shí)就是讀地址、寫地址）
當(dāng)讀指針趕上寫指針的時(shí)候，寫指針等于讀指針意味著最后一個(gè)數(shù)據(jù)被讀完，此時(shí)讀空信號有效

寫滿信號：當(dāng)寫指針比讀指針多一圈時(shí)，寫指針等于讀指針意味著寫滿了，此時(shí)寫滿信號有效
我們會發(fā)現(xiàn) 讀空的條件是寫指針等于讀指針，寫滿的條件也是寫指針等于讀指針，到底如何區(qū)分呢？

解決方法：將指針的位寬多定義一位
舉個(gè)例子說明：假設(shè)要設(shè)計(jì)深度為 8 的異步FIFO，此時(shí)定義讀寫指針只需要 3 位（2^3=8）就夠用了，
但是我們在設(shè)計(jì)時(shí)將指針的位寬設(shè)計(jì)成 4 位，最高位的作用就是區(qū)分是讀空還是寫滿，具體理論 1 如下
當(dāng)最高位相同，其余位相同認(rèn)為是讀空
當(dāng)最高位不同，其余位相同認(rèn)為是寫滿

注意：理論1試用的是二進(jìn)制數(shù)之間的空滿比較判斷。

但是這篇文章中確不是這樣比較的，而是用的理論2，這里我解釋一下

由于文章在設(shè)計(jì)中判斷是讀指針是否等于寫指針的時(shí)候，用的是讀寫指針的格雷碼形式（為什么用格雷碼后面解釋），此時(shí)若用上面的理論1就會出問題，因?yàn)楦窭状a是鏡像對稱的，若只根據(jù)最高位是否相同來區(qū)分是讀空還是寫滿是有問題的，詳情我會慢慢說，請看圖 1

綠色框起來的是0--15的格雷碼，用紅線將格雷碼分為上下兩部分

通過觀察格雷碼相鄰位每次只有1位發(fā)生變化，且上下兩部分，除了最高位相反，其余位全都關(guān)于紅線鏡像對稱，
7 --> 8 ，格雷碼從 0100 --> 1100 ,只有最高位發(fā)生變化其余位相同
6 --> 9 , 格雷碼從 0101 --> 1101 , 只有最高位發(fā)生變化其余位相同

以此類推，為什么要說鏡像對稱呢？

試想如果讀指針指向 8，寫指針指向 7 ，我們可以知道此時(shí)此刻并不是讀空狀態(tài)也不是寫滿狀態(tài)

但是如果在此刻套用理論 1 來判斷，看會出現(xiàn)什么情況，我們來套一下

7的格雷碼與8的格雷碼的最高位不同，其余位相同，所以判斷出為寫滿。這就出現(xiàn)誤判了，同樣套用在 6 和 9，5 和 10等也會出現(xiàn)誤判。

因此用格雷碼判斷是否為讀空或?qū)憹M時(shí)應(yīng)使用理論 2，看最高位和次高位是否相等，具體如下：
當(dāng)最高位和次高位相同，其余位相同認(rèn)為是讀空
當(dāng)最高位和次高位不同，其余位相同認(rèn)為是寫滿

補(bǔ)：理論2這個(gè)判斷方法適用于用格雷碼判斷比較空滿

在實(shí)際設(shè)計(jì)中如果不想用格雷碼比較，就可以利用格雷碼將讀寫地址同步到一個(gè)時(shí)鐘域后再將格雷碼再次轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制數(shù)再用理論1進(jìn)行比較就好了。。

圖 1

2、由于是異步FIFO的設(shè)計(jì)，讀寫時(shí)鐘不一樣，在產(chǎn)生讀空信號和寫滿信號時(shí)，會涉及到跨時(shí)鐘域的問題，如何解決？

跨時(shí)鐘域的問題：上面我們已經(jīng)提到要通過比較讀寫指針來判斷產(chǎn)生讀空和寫滿信號
但是讀指針是屬于讀時(shí)鐘域的，寫指針是屬于寫時(shí)鐘域的，而異步FIFO的讀寫時(shí)鐘域不同，是異步的，
要是將讀時(shí)鐘域的讀指針與寫時(shí)鐘域的寫指針不做任何處理直接比較肯定是錯(cuò)誤的，因此我們需要進(jìn)行同步處理以后仔進(jìn)行比較
解決方法：兩級寄存器同步 + 格雷碼

同步的過程有兩個(gè)：
（1）將寫時(shí)鐘域的寫指針同步到讀時(shí)鐘域，將同步后的寫指針與讀時(shí)鐘域的讀指針進(jìn)行比較產(chǎn)生讀空信號
（2）將讀時(shí)鐘域的讀指針同步到寫時(shí)鐘域，將同步后的讀指針與寫時(shí)鐘域的寫指針進(jìn)行比較產(chǎn)生寫滿信號