一种异步FIFO的设计方法

一种异步FIFO的设计方法

摘要：使用FIFO同步源自不同时钟域的数据是在数字IC设计中经常使用的方法，设计功能正确的FUFO会遇到很多问题，探讨了两种不同的异步FIFO的设计思路。两种思路都能够实现功能正确的PIFO。

    关键词：异步FIFO 握手 同步 二进制 格雷码

本文所研究的FIFO，从硬件的观点来看，就是一块数据内存。它有两个端口，一个用来写数据，就是将数据存入FIFO；另一个用来读数据，也就是将数据从FIFO当中取出。与FIFO操作相关的有两个指针，写指针指向要写的内存部分，读指针指向要读的内存部分。FIFO控制器通过外部的读写信号控制这两个指针移动，并由此产生FIFO空信号或满信号。

对于异步FIFO而言，数据是由某一个时钟域的控制信号写入FIFO，而由另一个时钟域的控制信号将数据读出FIFO。也就是说，读写指针的变化动作是由不同的时钟产生的。因此，对FIFO空或满的判断是跨时钟域的。如何根据异步的指针信号对FIFO的满状态或空状态进行正确的判断是本文研究的重点。此外，设计过程中的一些细节问题也将在文中涉及到。

1 指针以及满空信号的产生

为了更好地说明问题，先探讨一下同步FIFO指针移动以及满空信号的产生过程。对于同步FIFO，读写指针都指向一个内存的初始位置，每进行一次读写操作，相应的指针就递增一次，指向下一个内存位置。当指针移动到了内存的最后一个位置时，它又重新跳回初始位置。在FIFO非满或非空的情况下，这个过程将随着读写控制信号的变化一直进行下去。如果FIFO处于空的状态，下一个读动作将会导致向下溢出(underflow)，一个无效的数据被读人；同样，对于一个满了的FIFO，进行写动作将会导致向上溢出(overflow)，一个有用的数据被新写入的数据覆盖。这两种情况都属于误动作，因此需要设置满和空两个信号，对满信号置位表示FIFO处于满状态，对满信号复位表示FIFO非满，还有空间可以写入数据；对空信号置位表示FIFO处于空状态，对空信号复位表示FIFO非空，还有有效的数据可以读出。

    当读指针和写指针相等也就是指向同一个内存位置的时候，FIFO可能处于满或空两种状态。可以通过不同的方法判断或区分FIFO究竟是处于满状态还是空状态，也就是究竟是写指针从后赶上了读指针，还是读指针从后赶上了写指针。本文所应用的方法是设置一个额外的状态位，指针由它的地址位以及状态位组成。地址位随着相应的操作递增，指针由内存的最后位置返回到初始位置的时候状态位取反。因此，当读写指针的地址位和状态位全部吻合的时候，读写指针经历了相同次数的循环移动，也就是说，FIFO处于空状态(图1(a))；如果读写指针的地址位相同而状态位相反，写指针比读指针多循环一次，标志FIFO处于满状态(图1(b))。

2 二进制指针和格雷码指针的同步

二进制指针是由一位状态位和若干位二进制编码的地址位组成的(例如由三位地址和一位状态位构成的指针的变化：0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111)。如果在不同的时钟域内直接同步二进制指针，有可能产生问题。例如，当读指针从0111向1000变化的时侯，指针所有的位都要变化，如果写时钟恰好在读指针的变化时刻采样，写者得到的读指针值有可能是从0000到1111中的任何一个。所以二进制指针不宜被直接同步，但可以通过一对握手信号同步二进制指针。

例如，读指针被读者存人一个寄存器时，读者就发出一个就绪信号。当写者看到就绪信号时，读取读指针，发出一个收到数据的确认信号。当读

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