FIFO的深度應(yīng)該怎么計(jì)算

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FIFO是FPGA/IC設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的模塊，它經(jīng)常被用在兩個(gè)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的緩存，以避免數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟失。同時(shí)FIFO也經(jīng)常被用在跨時(shí)鐘域處理中。

FIFO深度的計(jì)算是FPGA和IC筆面試中經(jīng)常被問(wèn)到的一個(gè)問(wèn)題，在這篇文章里面我們就來(lái)討論一下FIFO的深度應(yīng)該怎么計(jì)算。

FIFO的深度如果設(shè)置的小了就會(huì)有丟數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)置的大了會(huì)有資源的浪費(fèi)。

在討論如何計(jì)算FIFO的深度之前，應(yīng)該先明白一個(gè)概念，那就是突發(fā)傳輸 ，也就是burst。

突發(fā)傳輸

為什么要明確突發(fā)傳輸?shù)母拍钅兀课覀兗僭O(shè)有以下幾種開(kāi)發(fā)場(chǎng)景。

場(chǎng)景一：讀比寫快

假如說(shuō)一個(gè)FIFO在不間斷的向里面寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)，并且向FIFO里面寫數(shù)據(jù)的速度比從FIFO里面讀數(shù)據(jù)的速度要慢，那么是不是這個(gè)FIFO永遠(yuǎn)都不會(huì)被寫滿了。

場(chǎng)景二：寫比讀快

假如說(shuō)一個(gè)FIFO在不間斷的向里面寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)，并且寫入的速度比讀出的速度快，那么是不是意味著這個(gè)FIFO的深度無(wú)論設(shè)置多少都終將會(huì)被寫滿。

所以不間斷在對(duì)FIFO不間斷的進(jìn)行讀寫的情形中討論FIFO深度是沒(méi)有意義的。

而我們要討論的FIFO深度其實(shí)是在突發(fā)傳輸中才是有意義的。

突發(fā)傳輸：就是說(shuō)一個(gè)又一個(gè)的數(shù)據(jù)包，每一個(gè)數(shù)據(jù)包之間是有間隙的。

每一個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度叫做burst length 突發(fā)長(zhǎng)度

FIFO的最小深度就與突發(fā)長(zhǎng)度，讀寫速率有關(guān)系。

計(jì)算出來(lái)FIFO的深度關(guān)鍵就在于計(jì)算出來(lái)在讀寫突發(fā)的這段時(shí)間內(nèi)，有多少數(shù)據(jù)沒(méi)有被讀走，這個(gè)數(shù)據(jù)的多少就是FIFO的最小深度。

計(jì)算公式

FIFO的深度可以用下面的公式計(jì)算出來(lái)

可以看到在上述公式里面的關(guān)鍵就是確定burst length。

下面就通過(guò)幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明burst length的計(jì)算。

例子

例一

某大廠的筆試題：

設(shè)計(jì)同步FIFO，每100個(gè)cycle可以寫入80個(gè)數(shù)據(jù)，每10個(gè)cycle可以讀出8個(gè)數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO的深度至少為：

A: 16

B: 32

C: 64

D: 72

首先從題目中知道同步FIFO，所以rd_clk和wr_clk是一樣的。

第二每10個(gè)cycle中可以讀出8個(gè)數(shù)據(jù)，那么rd_rate就是8/10也就是0.8

現(xiàn)在關(guān)鍵就是burst length的計(jì)算了。

每100個(gè)cycle可以寫入80個(gè)數(shù)據(jù)，那么是不是意味著這80個(gè)數(shù)據(jù)可以在100個(gè)cycle的周期的任意時(shí)間寫進(jìn)FIFO里面。那么什么時(shí)候是連續(xù)寫入數(shù)據(jù)最多的極端情況呢，這個(gè)極端情況就是burst length最大的時(shí)候。

這個(gè)極端情況就是在連續(xù)的200個(gè)cycle中，是不是可以寫入160個(gè)數(shù)據(jù)，那么這160個(gè)數(shù)據(jù)背靠背的連續(xù)寫入就是極端情況了。

如下圖所示:

在連續(xù)兩百個(gè)周期內(nèi)，前20個(gè)周期空閑，中間160個(gè)時(shí)鐘向FIFO寫入數(shù)據(jù)，最后20個(gè)時(shí)鐘再次空閑。

所以burst length就是160

所以FIFO的最小深度為

例二

有一個(gè)FIFO設(shè)計(jì)，輸入時(shí)鐘100MHz，輸出時(shí)鐘80MHz，輸入數(shù)據(jù)模式是固定的，其中1000個(gè)時(shí)鐘中有800個(gè)時(shí)鐘傳輸連續(xù)數(shù)據(jù)，另外200個(gè)空閑，請(qǐng)問(wèn)為了避免FIFO下溢/上溢，最小深度是多少

A: 320

B: 80

C: 160

D: 200

根據(jù)題意wr_clk是100， rd_clk是800。

因?yàn)檩斎霐?shù)據(jù)的模式是固定的，所以不用考慮背靠背的情況，所以burst length是800

題目中沒(méi)有說(shuō)明在輸出的時(shí)候讀使能是否會(huì)拉低，所以我們認(rèn)為FIFO一直在輸出，也就是rd_rate是1

所以FIFO的深度為: