異步FIFO的設計分析及詳細代碼

本文首先對異步 FIFO 設計的重點難點進行分析，最后給出詳細代碼。

一、FIFO簡單講解

FIFO的本質是RAM， 先進先出
重要參數：fifo深度（簡單來說就是需要存多少個數據）
fifo位寬（每個數據的位寬）

FIFO有同步和異步兩種，同步即讀寫時鐘相同，異步即讀寫時鐘不相同

同步FIFO用的少，可以作為數據緩存

異步FIFO可以解決跨時鐘域的問題，在應用時需根據實際情況考慮好fifo深度即可

本次要設計一個異步FIFO，深度為8，位寬也是8.

代碼是學習Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design Clifford E. Cummings, Sunburst Design, Inc.這篇文章的，百度搜搜很容易找到，雖然是英文的但是寫的確實值得研究。

下面我會對設計的要點進行分析，也是對自己學習過程的一個總結，希望能和大家交流共同進步。

二、設計要點解析

1、讀空信號如何產生？寫滿信號如何產生？
讀空信號：復位的時候，讀指針和寫指針相等，讀空信號有效（這里所說的指針其實就是讀地址、寫地址）
當讀指針趕上寫指針的時候，寫指針等于讀指針意味著最后一個數據被讀完，此時讀空信號有效

寫滿信號：當寫指針比讀指針多一圈時，寫指針等于讀指針意味著寫滿了，此時寫滿信號有效
我們會發現 讀空的條件是寫指針等于讀指針，寫滿的條件也是寫指針等于讀指針，到底如何區分呢？

解決方法：將指針的位寬多定義一位
舉個例子說明：假設要設計深度為 8 的異步FIFO，此時定義讀寫指針只需要 3 位（2^3=8）就夠用了，
但是我們在設計時將指針的位寬設計成 4 位，最高位的作用就是區分是讀空還是寫滿，具體理論 1 如下
當最高位相同，其余位相同認為是讀空
當最高位不同，其余位相同認為是寫滿

注意：理論1試用的是二進制數之間的空滿比較判斷。

但是這篇文章中確不是這樣比較的，而是用的理論2，這里我解釋一下

由于文章在設計中判斷是讀指針是否等于寫指針的時候，用的是讀寫指針的格雷碼形式（為什么用格雷碼后面解釋），此時若用上面的理論1就會出問題，因為格雷碼是鏡像對稱的，若只根據最高位是否相同來區分是讀空還是寫滿是有問題的，詳情我會慢慢說，請看圖 1

綠色框起來的是0--15的格雷碼，用紅線將格雷碼分為上下兩部分

通過觀察格雷碼相鄰位每次只有1位發生變化，且上下兩部分，除了最高位相反，其余位全都關于紅線鏡像對稱，
7 --> 8 ，格雷碼從 0100 --> 1100 ,只有最高位發生變化其余位相同
6 --> 9 , 格雷碼從 0101 --> 1101 , 只有最高位發生變化其余位相同

以此類推，為什么要說鏡像對稱呢？

試想如果讀指針指向 8，寫指針指向 7 ，我們可以知道此時此刻并不是讀空狀態也不是寫滿狀態

但是如果在此刻套用理論 1 來判斷，看會出現什么情況，我們來套一下

7的格雷碼與8的格雷碼的最高位不同，其余位相同，所以判斷出為寫滿。這就出現誤判了，同樣套用在 6 和 9，5 和 10等也會出現誤判。

因此用格雷碼判斷是否為讀空或寫滿時應使用理論 2，看最高位和次高位是否相等，具體如下：
當最高位和次高位相同，其余位相同認為是讀空
當最高位和次高位不同，其余位相同認為是寫滿

補：理論2這個判斷方法適用于用格雷碼判斷比較空滿

在實際設計中如果不想用格雷碼比較，就可以利用格雷碼將讀寫地址同步到一個時鐘域后再將格雷碼再次轉化成二進制數再用理論1進行比較就好了。。

圖 1

2、由于是異步FIFO的設計，讀寫時鐘不一樣，在產生讀空信號和寫滿信號時，會涉及到跨時鐘域的問題，如何解決？

跨時鐘域的問題：上面我們已經提到要通過比較讀寫指針來判斷產生讀空和寫滿信號
但是讀指針是屬于讀時鐘域的，寫指針是屬于寫時鐘域的，而異步FIFO的讀寫時鐘域不同，是異步的，
要是將讀時鐘域的讀指針與寫時鐘域的寫指針不做任何處理直接比較肯定是錯誤的，因此我們需要進行同步處理以后仔進行比較
解決方法：兩級寄存器同步 + 格雷碼

同步的過程有兩個：
（1）將寫時鐘域的寫指針同步到讀時鐘域，將同步后的寫指針與讀時鐘域的讀指針進行比較產生讀空信號
（2）將讀時鐘域的讀指針同步到寫時鐘域，將同步后的讀指針與寫時鐘域的寫指針進行比較產生寫滿信號