如何簡單快速地計算FIFO的最小深度

1、為什么需要計算FIFO的最小深度

因為筆試?？?。

開玩笑的。首先我們來想下FIFO有哪些作用?我大概總結(jié)下FIFO的幾個重要作用：

解決不同時鐘域傳輸?shù)膯栴}

用來緩存一定量的數(shù)據(jù)

解決位寬不匹配的問題

FIFO最常被用來解決寫、讀不匹配的問題(時鐘、位寬)，總結(jié)下來，其實FIFO最大的作用就是緩沖。既然是緩沖，那么就要知道這個緩存的空間到底需要多大。接下來的討論，都建立在滿足一次FIFO突發(fā)傳輸?shù)幕A(chǔ)上。連續(xù)無止境的突發(fā)不考慮。比如寫時鐘100M，讀時鐘50M，無限制的讀寫，那么FIFO的深度只能是無窮大了，因為寫比讀快，F(xiàn)IFO一定永遠(yuǎn)都不夠用。所以在實際運(yùn)用中，不會存在無限制的對FIFO進(jìn)行讀寫。如果這樣的話，F(xiàn)IFO就變成了一個“存儲器件”，而不是一個“緩存器件”，對于FIFO的這種用法無疑是毫無意義的。

2、實例

2.1、寫時鐘快、讀時鐘慢

2.1.1、無間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 80MHz;讀取時鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫入的突發(fā)長度120

讀寫操作不間斷

解法：

寫入一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/80MHz = 12.5ns;讀取一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/50MHz = 20ns

寫入120個數(shù)據(jù)，需要的時間：120 * 12.5ns = 1500ns

在寫入全部數(shù)據(jù)所需的時間(1500ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：1500ns / 20ns = 75

所以一次突發(fā)，一共需要寫入120數(shù)據(jù)，在這段時間內(nèi)可以被讀出75數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 75 = 45

2.1.2、間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 80MHz;讀取時鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫入的突發(fā)長度120。

每兩次寫入操作間隔1個寫時鐘周期，每兩次讀取操作間隔3個讀時鐘周期。

解法：

每兩次寫入操作間隔1個寫時鐘周期，等于每兩個寫時鐘周期才寫入1個數(shù)據(jù)，即等價的寫入時鐘頻率 fA'=40MHz，寫入一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/40MHz = 25ns

每兩次讀取操作間隔3個讀時鐘周期，等于每4個寫時鐘周期才讀取1個數(shù)據(jù)，即等價的讀取時鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/12.5MHz = 80ns

寫入120個數(shù)據(jù)，需要的時間：120 * 25ns = 3000ns

在寫入全部數(shù)據(jù)所需的時間(3000ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：3000ns / 80ns = 37.5 ≈ 37(要向下取整，不然有1個數(shù)據(jù)會丟)

所以一次突發(fā)，一共需要寫入120數(shù)據(jù)，在這段時間內(nèi)可以被讀出37數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 37 = 83

2.2、寫時鐘慢、讀時鐘快

2.2.1、無間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 30MHz;讀取時鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫入的突發(fā)長度120

寫、讀操作無間斷

解法：

因為讀操作的頻率快于寫操作的頻率，所以數(shù)據(jù)一旦被寫入FIFO后很快就會被讀走，所以FIFO的最小深度為1即可

2.2.2、間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 30MHz;讀取時鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫入的突發(fā)長度120。

每兩次寫入操作間隔1個寫時鐘周期，每兩次讀取操作間隔3個讀時鐘周期。

解法：

每兩次寫入操作間隔1個寫時鐘周期，等于每兩個寫時鐘周期才寫入1個數(shù)據(jù)，即等價的寫入時鐘頻率 fA'=15MHz，寫入一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/15MHz = 66.667ns

每兩次讀取操作間隔3個讀時鐘周期，等于每4個寫時鐘周期才讀取1個數(shù)據(jù)，即等價的讀取時鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/12.5MHz = 80ns

寫入120個數(shù)據(jù)，需要的時間：120 * 66.667ns = 8000ns

在寫入全部數(shù)據(jù)所需的時間(8000ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：8000ns / 80ns = 100

所以一次突發(fā)，一共需要寫入120數(shù)據(jù)，在這段時間內(nèi)可以被讀出100數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 100 = 20

2.3、寫時鐘、讀時鐘一樣快

2.3.1、無間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 讀取時鐘頻率 fB = 30MHz。一次寫入的突發(fā)長度120。

寫、讀操作無間斷

解法：

1、假設(shè)讀、寫時鐘無位差、則兩個時鐘同頻、同相，是同步信號，故可以直接對接操作，無需FIFO

2、若讀、寫時鐘存在相位差，則被寫入的數(shù)據(jù)在一個時鐘周期內(nèi)會被讀走，所以FIFO的最小深度為1即可

2.3.2、間斷的寫、讀操作

條件：

寫入時鐘頻率 fA = 讀取時鐘頻率 fB = 50MHz。一次寫入的突發(fā)長度120。

每兩次寫入操作間隔1個時鐘周期，每兩次讀取操作間隔3個時鐘周期。

解法：

每兩次寫入操作間隔1個寫時鐘周期，等于每兩個寫時鐘周期才寫入1個數(shù)據(jù)，即等價的寫入時鐘頻率 fA'=25MHz，寫入一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/25MHz = 40ns

每兩次讀取操作間隔3個讀時鐘周期，等于每4個寫時鐘周期才讀取1個數(shù)據(jù)，即等價的讀取時鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個數(shù)據(jù)需要的時間：1/12.5MHz = 80ns

寫入120個數(shù)據(jù)，需要的時間：120 * 40ns = 4800ns

在寫入全部數(shù)據(jù)所需的時間(4800ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：4800ns / 80ns = 60

所以一次突發(fā)，一共需要寫入120數(shù)據(jù)，在這段時間內(nèi)可以被讀出60數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 60 = 60

2.4、特定時間內(nèi)時間寫、讀速率固定

條件：

每100個時鐘寫入80個數(shù)據(jù)，剩余20個隨機(jī)值(無效)

每10個時鐘讀出8個數(shù)據(jù)

一次寫入的突發(fā)長度160

解法：

因為每100個時鐘內(nèi)，僅寫入80個數(shù)據(jù)，而這80個數(shù)據(jù)可能任意分布，所以160個數(shù)據(jù)的寫入可能有以下幾種情況：

可以看到，第4種情況是最極端的：一次性需要寫入160數(shù)據(jù)，時間為160個時鐘

160個時鐘內(nèi)，讀出的數(shù)據(jù)是160*8/10 = 128

所以一共需要寫入160數(shù)據(jù)，在這段時間內(nèi)可以被讀出128數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來緩存，所以FIFO的最小深度為160 - 128 = 32

3、總結(jié)

FIFO是用來緩存的，不是用來存數(shù)據(jù)的，當(dāng)寫快讀慢時，無止境的對FIFO操作是沒有意義的(不管FIFO多大，一定都會被寫滿)

FIFO深度的計算建立在滿足一次突發(fā)傳輸?shù)幕A(chǔ)上

當(dāng)讀快寫滿或者讀寫一樣快時，F(xiàn)IFO的深度最多只需要1

當(dāng)寫快讀慢時，在一次突發(fā)傳輸時，因為讀慢，所以肯定無法全部讀走。全部寫入的數(shù)據(jù)量 - 已經(jīng)被讀走的數(shù)據(jù)量 = 需要緩存到FIFO的數(shù)據(jù)量，即異步FIFO的最小深度

審核編輯：湯梓紅