面试必杀技：异步FIFO

上一篇介绍了异步FIFO的基础部分，包括为什么用Gray Code来同步read pointer, write pointer。这一篇咱们从头一起过一遍异步FIFO的具体设计，然后再讨论几个常见的问题。

有的面试官可能上来让你先画异步FIFO的框图，建议大家自己手画一下，能够记住。

要注意，wptr和rptr都是gray code，在上一篇我们已经讨论过gray code是可以直接利用2flop synchronizer来同步的。而用来读写实际的memory必须是binary address，在FIFO write control和FIFO read control里面我们进行binary to gray code的转换。

下面是上图中间fifo memory部分的简单实现

上面的code简化了rdata的逻辑，如果使用SRAM，可能需要加一级flop来存储SRAM读出来的值。

这里插一句，在设计异步FIFO或者使用异步FIFO的时候，需要计算清楚FIFO的深度，（如何FIFO的深度计算老李打算以后单独开一篇文章来讨论）然后要比较使用SRAM和flop array的cost。依据老李的经验，目前较新的7nm/5nm的工艺下，当存储位大于2k bit，使用vendor的compile memory在面积上开始划算起来，低于2k bit，使用flop array划算。这个部分需要大家在实际工作中自己去比较计算。

关于read pointer和write pointer的同步很简单，用2flop synchronizer即可，老李这里要强调一下，大家在实际工作中不要自作聪明去用verilog的behaivor code去实现2flop syncronzier（上面注释掉的行），而是要直接例化现成的cdc库元件。只要你不是在创立不到一个月的创业公司，这种cdc library一定是你们公司已经有的，轮子已经造出来了，千万别自己再造。

下面我们再看一下write control部分的RTL实现。

这里的满的判断用到了我们上一篇讲的判断逻辑，即高两位相反，低位都相同。下面是read side判断空的逻辑。

下面我们来讨论几个面试中常见的问题。

问题：假设wclk速度比rclk快，那么当raddr+1，再同步到wclk后，如果这期间有了push操作，那会不会使得wptr超过了rptr，造成FIFO overflow呢？

回答：不会，当rptr在传过去之前，如果wptr已经追上了rptr-1，那么wfull已经是1了，FIFO是不允许在FIFO满的时候进行push操作的（在实际工程中我们通常要利用assertion来check保证在wfull为1的时候push不能为1）。而如果这个时候有了pop操作，raddr+1，这个时候实际上FIFO有了一个free entry，但是push这一侧看到的FIFO依然是满的。这就是我们所说的异步FIFO的假满。相应的，FIFO的empty为1时，也可能FIFO此时有个push操作，导致FIFO为假空。假空和假满并不会影响FIFO的正确性，无非就是早一点告诉push side停止push，或者早一点告诉pop side停止pop，但是FIFO是不会产生overflow和underflow的。如果要说有什么缺点的话，就是在性能上有一些损失，当FIFO的深度很大的时候，这通常不是什么问题。

问题：如何判断FIFO是真空/真满呢？

回答：判断假空假满刚好相反，在push side我们来判断空，在pop side来判断满，为什么要这样留给大家自己思考。

问题：设计一个depth=1的异步FIFO

回答：这个大家就是要活学活用了，不能死板套用。只需要考虑一个问题，只有1个entry，那么需要几位的address或者pointer呢？当然是1位就够了，那我们真的还需要一个pointer吗？因为只有一个entry，当一次push，FIFO就满了，一次pop，FIFO就空了。1个bit用来表示满和空就足够了。其实这样的FIFO我们已经见过了，老李在多bit信号跨时钟域怎么办？-- CDC的那些事（4）里面讲到的带反馈的asynchronous load其实就是depth=1的异步FIFO！

问题：如何设计depth不是2的幂次的异步FIFO？

回答：我们在上一讲里面看到的gray code，只有当depth=2的幂次个数的时候，才能做到wrap around时继续保持gray code的性质：即连续两个码之间只有1位不同。下面这个图是表示depth=8的时候我们利用16个gray code来表示pointer。

比如从4‘d15到4’d0，也只有1位不同。但是如果不是2的幂次，比如DEPTH=7，那我们怎么样来利用Gray code呢？直接从4'b0000到4'b0101肯定是不行的，因为4'b0101变到4'b0000有两个bit发生了变化，这样我们就没法利用2flop synchronizer来同步了。解决这个办法的诀窍其实就是老李上一篇提到的gray code的第二个性质：gray code每一位是有个对称轴的。我们可以这样编码，addr==0的时候gray code不从4'b0000开始，而是从4‘b0001开始，直到4’b1001来wrap around，这样从4'b1001->4'b0001依然只有一个bit翻转。同理，如果是depth=6，那么我们继续往里收缩1位，只利用gray code关于对称轴两侧的部分编码，从4'b0011到4'b1011，我们可以看到，这样的编码依然可以保证相邻两个码之间只会有1位变化。

注意，利用这种编码，FIFO的满判断逻辑就不是简略的高两位取反，低位相同了，假如depth=7, rd_ptr=4'b0001, wr_ptr=4'b1100表示7个entry已经满了，如何得出正确的满判断逻辑就交给大家思考吧，欢迎大家在评论区留言探讨。

下一篇老李会带大家过一下工业界最常用的CDC tool Spyglass CDC的根本介绍，同时会奉上一些工程经历总结，敬请期待。

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Byran Liu2021-08-13

我的了解，假如不满足2^n的深度，假如6深度，那么在比较空满的时候，先判断高位，假如高位相同，则直接比较，假如高位不同，则对一个进行减2后，再比较高2位

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信仰回复Byran Liu2021-09-02

您好，请问高位不同的话，对一个进行减2是什么意思哈？怎么了解呢？

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