一種異步FIFO的設(shè)計方法

摘要：使用FIFO同步源自不同時鐘域的數(shù)據(jù)是在數(shù)字IC設(shè)計中經(jīng)常使用的方法，設(shè)計功能正確的FUFO會遇到很多問題，探討了兩種不同的異步FIFO的設(shè)計思路。兩種思路都能夠?qū)崿F(xiàn)功能正確的PIFO。

本文所研究的FIFO，從硬件的觀點來看，就是一塊數(shù)據(jù)內(nèi)存。它有兩個端口，一個用來寫數(shù)據(jù)，就是將數(shù)據(jù)存入FIFO；另一個用來讀數(shù)據(jù)，也就是將數(shù)據(jù)從FIFO當中取出。與FIFO操作相關(guān)的有兩個指針，寫指針指向要寫的內(nèi)存部分，讀指針指向要讀的內(nèi)存部分。FIFO控制器通過外部的讀寫信號控制這兩個指針移動，并由此產(chǎn)生FIFO空信號或滿信號。

對于異步FIFO而言，數(shù)據(jù)是由某一個時鐘域的控制信號寫入FIFO，而由另一個時鐘域的控制信號將數(shù)據(jù)讀出FIFO。也就是說，讀寫指針的變化動作是由不同的時鐘產(chǎn)生的。因此，對FIFO空或滿的判斷是跨時鐘域的。如何根據(jù)異步的指針信號對FIFO的滿狀態(tài)或空狀態(tài)進行正確的判斷是本文研究的重點。此外，設(shè)計過程中的一些細節(jié)問題也將在文中涉及到。

1 指針以及滿空信號的產(chǎn)生

為了更好地說明問題，先探討一下同步FIFO指針移動以及滿空信號的產(chǎn)生過程。對于同步FIFO，讀寫指針都指向一個內(nèi)存的初始位置，每進行一次讀寫操作，相應(yīng)的指針就遞增一次，指向下一個內(nèi)存位置。當指針移動到了內(nèi)存的最后一個位置時，它又重新跳回初始位置。在FIFO非滿或非空的情況下，這個過程將隨著讀寫控制信號的變化一直進行下去。如果FIFO處于空的狀態(tài)，下一個讀動作將會導致向下溢出(underflow)，一個無效的數(shù)據(jù)被讀人；同樣，對于一個滿了的FIFO，進行寫動作將會導致向上溢出(overflow)，一個有用的數(shù)據(jù)被新寫入的數(shù)據(jù)覆蓋。這兩種情況都屬于誤動作，因此需要設(shè)置滿和空兩個信號，對滿信號置位表示FIFO處于滿狀態(tài)，對滿信號復位表示FIFO非滿，還有空間可以寫入數(shù)據(jù)；對空信號置位表示FIFO處于空狀態(tài)，對空信號復位表示FIFO非空，還有有效的數(shù)據(jù)可以讀出。

    當讀指針和寫指針相等也就是指向同一個內(nèi)存位置的時候，F(xiàn)IFO可能處于滿或空兩種狀態(tài)?？梢酝ㄟ^不同的方法判斷或區(qū)分FIFO究竟是處于滿狀態(tài)還是空狀態(tài)，也就是究竟是寫指針從后趕上了讀指針，還是讀指針從后趕上了寫指針。本文所應(yīng)用的方法是設(shè)置一個額外的狀態(tài)位，指針由它的地址位以及狀態(tài)位組成。地址位隨著相應(yīng)的操作遞增，指針由內(nèi)存的最后位置返回到初始位置的時候狀態(tài)位取反。因此，當讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合的時候，讀寫指針經(jīng)歷了相同次數(shù)的循環(huán)移動，也就是說，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)(圖1(a))；如果讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反，寫指針比讀指針多循環(huán)一次，標志FIFO處于滿狀態(tài)(圖1(b))。

2 二進制指針和格雷碼指針的同步

二進制指針是由一位狀態(tài)位和若干位二進制編碼的地址位組成的(例如由三位地址和一位狀態(tài)位構(gòu)成的指針的變化：0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111)。如果在不同的時鐘域內(nèi)直接同步二進制指針，有可能產(chǎn)生問題。例如，當讀指針從0111向1000變化的時侯，指針所有的位都要變化，如果寫時鐘恰好在讀指針的變化時刻采樣，寫者得到的讀指針值有可能是從0000到1111中的任何一個。所以二進制指針不宜被直接同步，但可以通過一對握手信號同步二進制指針。

例如，讀指針被讀者存人一個寄存器時，讀者就發(fā)出一個就緒信號。當寫者看到就緒信號時，讀取讀指針，發(fā)出一個收到數(shù)據(jù)的確認信號。當讀者看到確認信號時，就收回就緒信號，然后用當前的讀指針值刷新寄存器(圖2)。在收到確認信號前，存放讀指針的寄存器內(nèi)容保持不變，確保了被讀取的指針的正確性。

為了能夠在不同的時鐘域內(nèi)直接同步指針，可以對指針使用格雷碼的編碼方式，也就是指針每次移動只變化一位，這樣就避免了由于指針多位同時變化而無法直接同步的問題。圖3表示了一個三位地址的內(nèi)存用于格雷碼編碼的FIFO。n位地址的內(nèi)存需要n+1位的格雷碼。使用最高位(也就是第n-1位)作為狀態(tài)位，從第n—2到第0位作為地址的第n-2位到第0位；對狀態(tài)位(也就是第n-1位)和第n-2位進行位異或運算產(chǎn)生地址的第n-2位(也就是地址的最高位)。通過對圖3的觀察可以得知，四位格雷碼編碼的指針和三位二進制加狀態(tài)位編碼的指針具有同樣的功能：指針產(chǎn)生的地址循環(huán)遍歷8個內(nèi)存地址，每一次遍歷后狀態(tài)位取反。值得注意的一點，是當指針從0100變化到1100的時候，相應(yīng)的地址由100變?yōu)?00，狀態(tài)位和一位地址同時發(fā)生了變化，所以不能同步由另一個時鐘域格雷碼指針產(chǎn)生的狀態(tài)位和地址位，此時應(yīng)該直接由另一個時鐘域同步指針來完成，由同步后的指針產(chǎn)生相應(yīng)的狀態(tài)位和地址位。

3 保守的滿空判斷

對于異步FIFO設(shè)計，無論是采用握手還是直接同步的方法來獲取對方時鐘域的指針，對滿空信號的判斷總是“保守”的。

(1)滿空信號的復位(滿信號復位表示FIFO非滿，空信號復位表示FIFO非空)和實際FIFO的情況相比有一定的延遲。例如，空信號是由讀者用讀指針與同步或握手后得到的寫指針進行比較產(chǎn)生的。由于同步或握手需要一定的時間，在這段時間，寫者可能向FIFO寫入新的數(shù)據(jù)，寫指針發(fā)生了變化，此時FIFO已經(jīng)非空，但此刻空信號仍然沒有復位。對于寫者而言，滿信號的復位也會遇到相同的問題。不過，在通常情況下，F(xiàn)IFO只要確保不會向下溢出或向上溢出，復位的延遲就不會導致向下溢出或向上溢出，是可以接受的。

(2)滿空信號的置位(滿信號置位表示FIFO滿，空信號置位表示FIFO空)和FIFO的實際情況相比沒有延遲。例如，同樣考慮FIFO為空的情況，讀者使用讀指針和同步或握手后的寫指針進行比較，由于FIFO為空，寫動作不會發(fā)生，相應(yīng)的寫指針也保持不變，因此讀者獲得的就是當時的寫指針值。這樣就能馬上對空信號置位。同樣地，在FIFO滿的情況下，由于讀指針不發(fā)生變化，寫者得到的是當前的讀指針值，能夠馬上判斷FIFO為滿。

從以上兩點的討論可以得出結(jié)論，F(xiàn)IFO滿空判斷是保守的，寫者可能在FIFO還有一定空間時停止寫數(shù)據(jù)，但不會在FIFO已經(jīng)滿了的情況下繼續(xù)寫數(shù)據(jù)；讀者可能在FIFO還有一些有效的數(shù)據(jù)時停止讀數(shù)據(jù)，但是不會在FIFO已經(jīng)空的情況下繼續(xù)讀數(shù)據(jù)。保守的滿空判斷能夠滿足FIFO的功能要求。

4 二進制指針和格雷碼指針的比較

二進制指針和格雷碼指針兩者各有優(yōu)缺點：?

(1)由于通過握手同步，指針可以有多位同時變化，二進制指針每次移動可以跳躍過任意的長度，這樣給FIFO的某些功能的實現(xiàn)帶來了方便(例如，硬件直接控制FIFO從緩存的數(shù)據(jù)流中丟棄一個出錯的包)；而格雷碼指針一般只能做遞增或遞減的移動。

    (2)二進制指針可以用于任意大小的FIFO；格雷碼指針只能用于大小為2的冪的FIFO。

(3) 與直接同步相比，通過握手同步需要多時鐘周期，因此二進制指針的滿空判斷比格雷碼指針的滿空判斷更“保守”；對于設(shè)計一個容量很大且由內(nèi)存構(gòu)成的FIFO來說，由于保守判斷而損失的空間可以忽略；但對于一個容量較小的FIFO而言，這種“保守”可能是無法接受的。例如，一個由8個寄存器組成的FIFO，對于格雷碼編碼的指針，最壞情況下，F(xiàn)IFO被寫者判斷為滿時，里面實際只存有五個數(shù)據(jù)(使用兩級同步器，可能需要三個周期同步，而在這三個周期內(nèi)都有讀動作發(fā)生)；而對與二進制編碼的指針，F(xiàn)IFO被判為滿時，F(xiàn)IFO里可能只有三個數(shù)據(jù)或更少(使用兩級同步器，最好的情況下，需要五個周期握手，而在這五個周期里都有讀動作發(fā)生)。

設(shè)計者在兩種方法的比較選擇上應(yīng)該考慮到以上的幾點。

本文介紹的異步FIFO的設(shè)計方法的兩種不同盡路都能夠?qū)崿F(xiàn)功能正確的異步FIFO。對這兩種方法設(shè)計的FIFO的優(yōu)缺點所做的簡要分析，對FIFO的設(shè)計具有指導意義。