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FIFO

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FIFO1

  • FIFO 常用于数据的跨时钟域传输。
  • FIFO 设计难点在于读/写指针的生成和空/满状态的判断。

同步 FIFO

  • 对写入和读取进行计数，增加（写入但不读取）、减少（读取但不写入）、保持（不读也不写/同时读写）。
  • 当计数为 0 ，为空状态；当计数为满，为满状态。

异步 FIFO

  • 异步 FIFO 不能使用计数方法，因为读写端口时钟域不同。
  • 为了判断空/满状态，必须对读/写指针进行比较。
  • 读指针指向要读取的地址，写指针指向要写入的地址。在读取/写入之后，读/写指针递增。
  • 当 FIFO 为空，读指针指向无效数据地址。进行写操作之后，空标志清零，读指针变为有效，立即将有效数据驱动到输出口，供接收端读取。

读/写指针的生成（计数器）

#1 寄存器输出是格雷码

  • 格雷码和二进制码转换、递增，得到 n 位格雷码计数器。
  • 将最高两位异或，与剩余位拼接，得到 n-1 位格雷码计数器。

#2 寄存器输出分别是二进制码和格雷码

  • n-1位二进制码用于寻址 FIFO地址。
  • n 位格雷码用于同步到另一个时钟域。
  • 若不使用 extra bit ，则都是 n-1 位。

指针计数信号的跨时钟域同步

  • FIFO 指针常用格雷码计数，每个时钟边沿只会有 1 位变化，避免多 bit CDC 问题。

  • 指针计数是否会在采样间隔中持续变化甚至上溢、下溢？答案是不会。

    • FIFO 满：写指针追上同步采样的读指针。同步采样的读指针可能不是读指针的实时值，但写指针不会超过同步采样的读指针，所以上溢不会发生。
    • FIFO 空：读指针追上同步采样的写指针。同步采样的写指针可能不是写指针的实时值，但读指针不会超过同步采样的写指针，所以下溢不会发生。

二进制计数器

如果对二进制指针进行采样，并在两个时钟域之间使用握手信号来安全传递，则可以使用二进制指针设计 FIFO 。

优点：

  1. 采样+握手信号，可以用于进行任意比特信号的跨时钟域传递。
  2. 触发器数量：格雷码需要 2n 个触发器，同步模块需要 2n+4 个触发器（每位 1 个触发器，同步 ready 信号 2 个触发器，同步 acknowledge 信号 2 个触发器）
  3. 格雷码只能递增，二进制码则可以任意改变。
  4. 二进制指针允许任意深度的 FIFO ，而格雷码只能是 2 的 n 次方。
  5. 二进制指针容易计算 almost full & empty 。

缺点：

  1. 采样并握手，会延迟新样本的采样，至少从接收时钟域延迟两个时钟，从发送时钟域延迟两个时钟。

方法：

  • 使用寄存器采样指针计数信号，并向接收时钟域输出 ready 信号。
  • 当 ready 信号被接收时，接收时钟域向发送时钟域发回一个同步的 acknowledge 信号。
  • 在从接收时钟域接收到 acknowledge 信号之前，采样的指针计数信号不得改变。
  • 接收到 acknowledge 信号后，发送时钟域有权清除 ready 信号并重新采样指针计数信号。

空/满标志的生成

#1 增加额外位 extra bit

  • 空 empty

    • rptr next 和 synchronized wptr：
      • extra bit 相同，其余位也相同
    image-20230709161731837

  • 满 full

    • wptr next 和 synchronized rptr：
      • MSB 不同
      • 2nd MSB 也不同（格雷码特性）
      • 其余位相同
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    • almost empty：rptr+4 赶上 wptr

    • almost full：wptr+4 赶上 rptr

#2 趋势信号 direction

  • 将地址空间分为四个象限，通过两个 MSB 生成趋势信号 direction 。
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  • 空满：
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FIFO #1 同步比较

  • fifo1.v ：顶层模块

  • fifomem.v ：FIFO memory buffer，此处是一个双端口 RAM 。

    • 注：双端口 RAM 面积比单端口 RAM 大一倍，所以要注意控制 FIFO 深度。

  • sync_r2w.v ：将 read pointer 同步到 write pointer 时钟域，仅包含触发器。

  • sync_w2r.v ：将 write pointer 同步到 read pointer 时钟域，仅包含触发器。

  • wptr_full.v ：生成 write pointer 和 full flag 。

  • rptr_empty.v ：生成 read pointer 和 empty flag 。

问题

时钟不同速的问题

n

保守的 full & empty flag 清除策略

异步复位时多位同时跳变的问题

n

FIFO #2 异步比较

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  • fifo1.v ：顶层模块

  • fifomem.v ：FIFO memory buffer，此处是一个双端口 RAM 。

    • 注：双端口 RAM 面积比单端口 RAM 大一倍，所以要注意控制 FIFO 深度。

  • sync_cmp.v ：生成异步的 afull_n 和 aempty_n 信号。

  • wptr_full.v ：生成 write pointer 和 full flag 。

  • rptr_empty.v ：生成 read pointer 和 empty flag 。

空/满

  • 异步生成 afull_n 和 aempty_n 信号。
  • 异步设置 rempty 和 wfull 信号，同步释放。
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复位

  1. 清除 wfull ，而不清除 rempty 。
  2. 复位 wptr 和 rptr 。
  3. 清除 direction 。
  4. 异步产生 aemtpy_n ，进而清除 rempty 。

仅用于测试的 FIFO 行为模型

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