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异步FIFO设计​qiankun214.github.io

1.设计目标

设计一个参数可配置的异步FIFO，要求：

• FIFO深度从4开始在2的幂次方连续可配（4、8、16、......）
• 读写时钟域相位差、频率差任意（同步器参数可配）

2.参数列表

| 名称 | 默认值 | 说明 | | --------- | ------ | -------------------------- | | DEPTH_LOG | 4 | FIFO容量为$2^{DEPTH_LOG}$ | | DATA_WIDTH | 8 | 数据位宽 |

3.端口

3.1.端口列表

3.1.1.系统端口

| 名称 | 类型 | 位宽 | 说明 | | --------- | ----- | ---- | -------------------- | | read_clk | input | 1 | 读时钟域时钟 | | write_clk | input | 1 | 写时钟域时钟 | | rst_n | input | 1 | 系统复位端口，低有效 |

3.1.2.读端口

| 名称 | 类型 | 位宽 | 说明 | | ---------- | ------ | --------- | -------------- | | read_req | input | 1 | 读完成信号 | | read_valid | output | 1 | 读数据有效信号 | | read_data | output | DEPTH_LOG | 读数据 | | fifo_empty | output | 1 | FIFO空信号 |

3.1.3.写端口

| 名称 | 类型 | 位宽 | 说明 | | ---------- | ------ | --------- | ---------- | | write_req | input | 1 | 写请求信号 | | write_data | input | DEPTH_LOG | 写数据 | | fifo_full | output | 1 | FIFO满信号 |

3.2.端口时序

3.2.1.读端口时序

read_req信号拉高表示请求读数据，若此时FIFO非空（fifo_empty为低），FIFO将会将数据置于read_data上，同时拉高read_valid信号。即当read_valid有效时，对应的read_data上的数据有效。fifo_empty拉高表示FIFO已空，当前数据输出端口上的数据无意义， 再拉高read_req将不会改变read_data上的数据。

3.2.2.写端口时序

写端口如上所示，当且仅当write_req信号高且fifo_full信号低时将write_data端口上的数据写入FIFO。

4.系统结构

4.1.结构框图

系统整体结构如上所示，分为两个时钟域——读时钟域和写时钟域。每个时钟域结构相互镜像：

• 读/写指针：二进制的读写指针，用于SRAM的读/写地址
• 二进制到格雷码转换器：将读/写指针从二进制转为格雷码，用于传递到下一个时钟域或生产空满信号
• 空/满信号生成：比对读指针和写指针的格雷码，生成空和满信号

其他还有跨时钟域的组件，分别为：

• 双口SRAM：一个端口使用写时钟和写时钟域下的信号，另一个使用读时钟和读时钟域的信号
• 同步器：两个同步器，分别将读指针同步到写时钟域和将写时钟同步到读时钟域

4.2.系统方法

4.2.1.二进制转格雷码

假设二进制码为每位为$bin[n]$，对应的格雷码每位为$gray[n]$，共N位，转换算法为： $$ begin{cases} gray[N-1] = bin[N - 1] gray[i] = bin[i] NOR bin[i+1] & i < N-1 end{cases} $$ 例如二进制码011，共3位，则格雷码第2位为0，其他几位为10，对应格雷码为010，在具体实现时，可以参考下图的实现方法：

4.2.2.格雷码判空判满

对读指针和写指针有以下含义：

• 读指针：指向当前正在读的地址
• 写指针：指向下一次写入操作需要写入的地址

二进制下，对于地址位宽为N的SRAM，可以使用位宽为N+1的地址——低N位为地址，MSB为标志位，用于标记满和空：

• 当低N位相等，MSB不相等时：FIFO满（写指针领先读指针“一圈”）
• 当低N为相等，MSB相等时：FIFO空（读指针“追上”写指针）

转换到格雷码域，做相同判断，判空条件为两个指针相等，相等的二进制码对应格雷码相等，条件不变。对于判满，需要两个二进制仅有最高位不同，参考二进制转格雷码条件，判满条件如下：

• 最高位不相等（格雷码MSB与二进制MSB相同）
• 次高位不相等（次高位由二进制码的最高位和次高位异或，两指针二进制下最高位不同，次高位相同）
• 其他位均相等（异或操作依赖的位数均相等）

由于同步器的同步需要消耗时钟周期，因此：

• 判满：在写时钟域下生成满信号，读指针通过同步器，为若干个时钟周期之前的读指针。若在FIFO满的情况下，读操作发生，读指针的变化延迟传递到写时钟域，在传递的若干个周期内状态为“假满”
• 判空：在读时钟域下生成空信号，写指针通过同步器，为若干个时钟周期之前的写指针。若在FIFO空的情况下，写操作发生，写指针的变化延迟传递到读时钟域，在传递的若干个周期内状态为“假空”

“假满”和“假空”状态均不影响异步FIFO的正常工作，仅为略微降低FIFO的工作效率

4.2.3.同步器

同步器是一种跨时钟域数据传输的方法，二级同步器结构如下所示：

从源时钟域下的源信号开始，依次通过多个时钟为目标时钟域时钟下的寄存器，即构成了多级同步器，寄存器的数量就是同步器的级数。一般的信号仅需要二级同步器，高速信号一般使用三级同步器。

5.实现细节

5.1.写FIFO部分

写FIFO部分包括以下几个组件：

• 同步器：将读指针从读时钟域同步到写时钟域，使用两级同步器
• 写指针：指示写入地址的指针，当满信号拉低且写请求拉高时加1
• 写指针二进制转格雷码：将写指针从二进制转为格雷码，送到判满部分判满和向读时钟域的同步器
• 满信号生成：当满足[4.2.2]的判满条件成立时，拉高满信号

5.1.1.需求

写FIFO部分的需求如下：

• 产生写SRAM的相关信号，包括写请求信号，写地址信号和写数据信号
• 同步内部读指针，配合写指针生成满信号。将写指针传递到读部分。

5.1.2.端口

| 名称 | 类型 | 位宽 | 说明 | | ---------------- | ------ | ----------- | -------------------- | | clk | input | 1 | 写部分时钟 | | rst_n | input | 1 | 系统复位 | | write_req | input | 1 | 写FIFO请求 | | fifo_full | output | 1 | FIFO满信号 | | write_addr | output | DEPTH_LOG | 写存储器地址 | | read_point_gray | input | DEPTH_LOG+1 | 读指针格雷码，未同步 | | write_point_gray | output | DEPTH_LOG+1 | 写指针格雷码 |

5.1.3.实现

上图为fifo_full生成部分的结构图，为了保证保证fifo_full拉高的及时性，设置next_write_point_gray寄存器，指示下一个格雷码的写地址。当一次is_write拉高时，每个部件的功能如下所示：

• write_point：自增1
• write_point_gray：从next_write_point_gray获取与write_point同步的格雷码
• next_write_point_gray：取现在write_point加2后对应的格雷码，获得与write_point+1同步的格雷码

写产生FIFO满的波形如下所示：

当一次写请求使FIFO满时，由于写请求发生，因此使用next_write_point_gray进行判满操作，此时该信号与read_point_gray相等，因此在下一个时钟周期fifo_full拉高（图中a,b->c），同时，write_point和write_point_gray均完成更新。下一个时钟周期，无写请求发生，因此使用write_point_gray进行判满操作，此时write_point_gray更新后与read_point_gray相等，保持fifo满状态（图中e,d->f）。

对于数据部分，如下图所示：

该部分不包括在写控制模块中，系统输入的write_data端口直接连接到SRAM的写数据端口，写请求端口为write_req和fifo_full的组合逻辑与信号（write_req && !fifo_full）

5.2.读FIFO部分

读FIFO部分包括以下几个组件：

• 同步器：将写指针从写时钟域同步到读时钟域，使用两级同步器
• 读指针：指示读取地址的指针，当空信号拉低且读请求拉高时加1
• 读指针二进制转格雷码：将读指针从二进制转为格雷码，送到判空部分判空和向写时钟域的同步器
• 空信号生成：当满足[4.2.2]的判空条件成立时，拉高空信号

5.2.1.需求

读FIFO部分需要满足以下几个需求：

• 产生读SRAM的相关信号，包括地址信号，数据有效信号
• 同步内部写指针，配合读指针生成空信号。将读指针传递到读部分。

5.2.2.端口

| 名称 | 类型 | 位宽 | 说明 | | ---------------- | ------ | ----------- | -------------------- | | clk | input | 1 | 读时钟信号 | | rst_n | input | 1 | 系统复位信号，低有效 | | read_req | input | 1 | 读请求信号 | | fifo_empty | output | 1 | FIFO空信号 | | memory_read_addr | output | DEPTH_LOG | SRAM的读地址信号 | | read_point_gray | output | DEPTH_LOG+1 | 读指针格雷码 | | write_point_gray | input | DEPTH_LOG+1 | 写指针格雷码，未同步 | | read_valid | output | 1 | 读数据有效信号 |

5.2.3.实现

实现的方式与写部分类似，fifo_empty信号和读指针生成如下所示：

主要部件的功能如下所示：

• read_point：读指针，产生读地址，每当读请求成立时自增1
• read_point_gray：读指针的格雷码，用于产生空逻辑和向写时钟域传递
• next_read_point_gray：下一个读指针的格雷码，用于空信号的及时性

读数据部分如上图所示，read_valid信号在read_req && !fifo_empty为真时拉高，表示当前read_data上的数据有效。read_data为输出数据端口直接连接到SRAM的输出端口（SRAM输出端口自带寄存器）。