一種異步FIFO的設計方法

摘要：使用FIFO同步源自不同時鐘域的數據是在數字IC設計中經常使用的方法，設計功能正確的FUFO會遇到很多問題，探討了兩種不同的異步FIFO的設計思路。兩種思路都能夠實現功能正確的PIFO。

    關鍵詞：異步FIFO 握手 同步 二進制 格雷碼

本文所研究的FIFO，從硬件的觀點來看，就是一塊數據內存。它有兩個端口，一個用來寫數據，就是將數據存入FIFO；另一個用來讀數據，也就是將數據從FIFO當中取出。與FIFO操作相關的有兩個指針，寫指針指向要寫的內存部分，讀指針指向要讀的內存部分。FIFO控制器通過外部的讀寫信號控制這兩個指針移動，并由此產生FIFO空信號或滿信號。

對于異步FIFO而言，數據是由某一個時鐘域的控制信號寫入FIFO，而由另一個時鐘域的控制信號將數據讀出FIFO。也就是說，讀寫指針的變化動作是由不同的時鐘產生的。因此，對FIFO空或滿的判斷是跨時鐘域的。如何根據異步的指針信號對FIFO的滿狀態或空狀態進行正確的判斷是本文研究的重點。此外，設計過程中的一些細節問題也將在文中涉及到。

1 指針以及滿空信號的產生

為了更好地說明問題，先探討一下同步FIFO指針移動以及滿空信號的產生過程。對于同步FIFO，讀寫指針都指向一個內存的初始位置，每進行一次讀寫操作，相應的指針就遞增一次，指向下一個內存位置。當指針移動到了內存的最后一個位置時，它又重新跳回初始位置。在FIFO非滿或非空的情況下，這個過程將隨著讀寫控制信號的變化一直進行下去。如果FIFO處于空的狀態，下一個讀動作將會導致向下溢出(underflow)，一個無效的數據被讀人；同樣，對于一個滿了的FIFO，進行寫動作將會導致向上溢出(overflow)，一個有用的數據被新寫入的數據覆蓋。這兩種情況都屬于誤動作，因此需要設置滿和空兩個信號，對滿信號置位表示FIFO處于滿狀態，對滿信號復位表示FIFO非滿，還有空間可以寫入數據；對空信號置位表示FIFO處于空狀態，對空信號復位表示FIFO非空，還有有效的數據可以讀出。

    當讀指針和寫指針相等也就是指向同一個內存位置的時候，FIFO可能處于滿或空兩種狀態。可以通過不同的方法判斷或區分FIFO究竟是處于滿狀態還是空狀態，也就是究竟是寫指針從后趕上了讀指針，還是讀指針從后趕上了寫指針。本文所應用的方法是設置一個額外的狀態位，指針由它的地址位以及狀態位組成。地址位隨著相應的操作遞增，指針由內存的最后位置返回到初始位置的時候狀態位取反。因此，當讀寫指針的地址位和狀態位全部吻合的時候，讀寫指針經歷了相同次數的循環移動，也就是說，FIFO處于空狀態(圖1(a))；如果讀寫指針的地址位相同而狀態位相反，寫指針比讀指針多循環一次，標志FIFO處于滿狀態(圖1(b))。

2 二進制指針和格雷碼指針的同步

二進制指針是由一位狀態位和若干位二進制編碼的地址位組成的(例如由三位地址和一位狀態位構成的指針的變化：0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111)。如果在不同的時鐘域內直接同步二進制指針，有可能產生問題。例如，當讀指針從0111向1000變化的時侯，指針所有的位都要變化，如果寫時鐘恰好在讀指針的變化時刻采樣，寫者得到的讀指針值有可能是從0000到1111中的任何一個。所以二進制指針不宜被直接同步，但可以通過一對握手信號同步二進制指針。

例如，讀指針被讀者存人一個寄存器時，讀者就發出一個就緒信號。當寫者看到就緒信號時，讀取讀指針，發出一個收到數據的確認信號。當讀

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