FIFO最小深度计算

FIFO最小深度计算

文章目录

1、FIFO最小深度
2、示例分析

1、FIFO最小深度

在数据的传输中当读速率慢于写速率时，FIFO便可被用作系统中的缓冲元件或队列，类似于水流经过一个缓冲区，上游水流速度快，下游水流速度慢，部分水就可以被缓存在中间的缓冲区，但是上游与下游的水速差距过大，就会导致流入中间缓存区的水超出了缓存区承受能力导致水的溢出，不能顺利到达下游。在上游水流速度最大，下游水流速度最小的情况下，中间缓冲区不能溢出的大小就是我们关系的问题。

同理，读写速率差距过大，FIFO深度太小，就会导致一段时间内向FIFO灌输的数据超出了FIFO的承受能力，就会导致数据的丢失，该容量取决于读写数据的速率。所以在写速率最大，读速率最小时，这时正好不导致数据溢出的FIFO的深度就是我们要计算的FIFO最小深度。

FIFO写入速率快，读出速度慢模型：

最简单的写快读慢的实例，FIFO写入一个数据需要1s，读取一个数据需要2s，一共传输6个数据。(下图)

6个数据写入需要时间为：6×1=6 s
6s读取的数据为：6/2=3个
6s FIFO内剩余数据的个数：6-3=3个
6s才能读取3个数据，剩余的数据3个在FIFO中缓冲，在6s的之后的时间才能被缓慢读出。

仔细观察下图(写快读慢)，FIFO中最多存在3个数据，该容量就是FIFO的最小深度。
该FIFO的最小深度 = 6 - 3 = 3（如果深度小于3，则会导致数据丢失）。

总结：要确定FIFO的深度，关键在于计算出在突发读写的这段时间内有多少数据没有被读走。也就是说FIFO的最小深度就等于没有被读走的数据个数。

FIFO写入与读取速度相同：
读数据速率比写数据快，因此FIFO只起到变换时钟域的作用，FIFO最下深度为1即可。

2、示例分析

示例一：

写入速率 > 读取速率

A/D采样率为50MHz，读A/D的速率为40MHZ，要不丢失地将10万个采样数据送入FPGA，在A/D和FPGA之间至少加多大容量（深度）的FIFO才可以？

写一个数据所需的时间为： 1/50MHz=0.02×10−6s1/50MHz=0.02×{10^{ - 6}}s1/50MHz=0.02×10−6s

写完所有的数据所需的时间为：100,000×0.02×10−6=0.002s100,000×0.02×{10^{ - 6}} = 0.002s100,000×0.02×10−6=0.002s

读一个数据所需的时间为：1/40MHz=0.025×10−6s1/40MHz=0.025×{10^{ - 6}} s1/40MHz=0.025×10−6s
0.002S内读走的数据为：0.002/(0.025×10−6)=0.08×106=80,0000.002/(0.025×{10^{ - 6}}) = 0.08×{10^{ 6}} = 80,000 0.002/(0.025×10−6)=0.08×106=80,000

则FIFO的最小深度为：100,000−80,000=20,000（0.002s还没有被读走的数据的个数）100,000 - 80,000=20,000（0.002s还没有被读走的数据的个数）100,000−80,000=20,000（0.002s还没有被读走的数据的个数）

（如果读比写慢几拍，则深度比20,000略大）

示例二：

FIFO写入时钟为100MHz，读取时钟为80Mhz，分以下情况分析。

①：传输2000个数据，FIFO最小深度为多少？

100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns
写入2000个数据所需的时间为
2000×10=20000ns2000×10=20000ns2000×10=20000ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
1/80MHz=12.5ns1/80MHz=12.5ns1/80MHz=12.5ns
20000ns读出的数据个数为
20000ns/12.5ns=160020000ns / 12.5ns=160020000ns/12.5ns=1600
剩余FIFO中没读走的数据个数为
2000−1600=4002000-1600=4002000−1600=400
所以FIFO的最小深度为400。

②：100个时钟写入80个数据，1个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度

100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
1/80MHz=12.5ns1/80MHz=12.5ns1/80MHz=12.5ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。

但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：

在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。

写入160个数据所需的时间为
160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600ns/12.5ns=1281600ns/12.5ns=1281600ns/12.5ns=128
FIFO内剩余的数据为
160−128=32160-128=32160−128=32
所以FIFO最小深度为32

③：100个时钟写入80个数据，3个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度

100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
(1/80MHz)×3=12.5×3ns(1/80MHz)×3=12.5×3ns(1/80MHz)×3=12.5×3ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。

但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：

在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。

写入160个数据所需的时间为
160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600ns/(12.5×3)ns=42.661600ns/(12.5×3)ns=42.661600ns/(12.5×3)ns=42.66
FIFO内剩余的数据为
160−42.66=117.33160-42.66=117.33160−42.66=117.33
所以FIFO最小深度为118(FIFO一般设置为2的n次幂(128))。

④：100个时钟写入80个数据，3个时钟读2个数据，求FIFO的最小深度

100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
(1/80MHz)×3/2=12.5×3/2ns(1/80MHz)×3/2=12.5×3/2ns(1/80MHz)×3/2=12.5×3/2ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。

但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：

在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。

写入160个数据所需的时间为
160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600ns/(12.5×3/2ns)ns=85.331600ns/(12.5×3/2ns)ns=85.331600ns/(12.5×3/2ns)ns=85.33
FIFO内剩余的数据为
160−42.66=74.66160-42.66=74.66160−42.66=74.66
所以FIFO最小深度为75(FIFO一般设置为2的n次幂(128))。

★★★如有错误，欢迎指导！！！