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一種異步FIFO的設(shè)計(jì)方法
摘要：使用FIFO同步源自不同時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)是在數(shù)字IC設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的方法，設(shè)計(jì)功能正確的FUFO會(huì)遇到很多問題，探討了兩種不同的異步FIFO的設(shè)計(jì)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(diǎn)來看，就是一塊數(shù)據(jù)內(nèi)存。它有兩個(gè)端口，一個(gè)用來寫數(shù)據(jù)，就是將數(shù)據(jù)存入FIFO；另一個(gè)用來讀數(shù)據(jù)，也就是將數(shù)據(jù)從FIFO當(dāng)中取出。與FIFO操作相關(guān)的有兩個(gè)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(hào)控制這兩個(gè)指針移動(dòng)，并由此產(chǎn)生FIFO空信號(hào)或滿信號(hào)。
對于異步FIFO而言，數(shù)據(jù)是由某一個(gè)時(shí)鐘域的控制信號(hào)寫入FIFO，而由另一個(gè)時(shí)鐘域的控制信號(hào)將數(shù)據(jù)讀出FIFO。也就是說，讀寫指針的變化動(dòng)作是由不同的時(shí)鐘產(chǎn)生的。因此，對FIFO空或滿的判斷是跨時(shí)鐘域的。如何根據(jù)異步的指針信號(hào)對FIFO的滿狀態(tài)或空狀態(tài)進(jìn)行正確的判斷是本文研究的重點(diǎn)。此外，設(shè)計(jì)過程中的一些細(xì)節(jié)問題也將在文中涉及到。
1 指針以及滿空信號(hào)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(dòng)以及滿空信號(hào)的產(chǎn)生過程。對于同步FIFO，讀寫指針都指向一個(gè)內(nèi)存的初始位置，每進(jìn)行一次讀寫操作，相應(yīng)的指針就遞增一次，指向下一個(gè)內(nèi)存位置。當(dāng)指針移動(dòng)到了內(nèi)存的最后一個(gè)位置時(shí)，它又重新跳回初始位置。在FIFO非滿或非空的情況下，這個(gè)過程將隨著讀寫控制信號(hào)的變化一直進(jìn)行下去。如果FIFO處于空的狀態(tài)，下一個(gè)讀動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致向下溢出(underflow)，一個(gè)無效的數(shù)據(jù)被讀人；同樣，對于一個(gè)滿了的FIFO，進(jìn)行寫動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致向上溢出(overflow)，一個(gè)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(dòng)作，因此需要設(shè)置滿和空兩個(gè)信號(hào)，對滿信號(hào)置位表示FIFO處于滿狀態(tài)，對滿信號(hào)復(fù)位表示FIFO非滿，還有空間可以寫入數(shù)據(jù)；對空信號(hào)置位表示FIFO處于空狀態(tài)，對空信號(hào)復(fù)位表示FIFO非空，還有有效的數(shù)據(jù)可以讀出。
當(dāng)讀指針和寫指針相等也就是指向同一個(gè)內(nèi)存位置的時(shí)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(gè)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(shí)候狀態(tài)位取反。因此，當(dāng)讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合的時(shí)候，讀寫指針經(jīng)歷了相同次數(shù)的循環(huán)移動(dòng)，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(biāo)志FIFO處于滿狀態(tài)(圖1(b))。
2 二進(jìn)制指針和格雷碼指針的同步
二進(jìn)制指針是由一位狀態(tài)位和若干位二進(jìn)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(shí)鐘域內(nèi)直接同步二進(jìn)制指針，有可能產(chǎn)生問題。例如，當(dāng)讀指針從0111向1000變化的時(shí)侯，指針?biāo)械奈欢家兓绻麑憰r(shí)鐘恰好在讀指針的變化時(shí)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(gè)。所以二進(jìn)制指針不宜被直接同步，但可以通過一對握手信號(hào)同步二進(jìn)制指針。
例如，讀指針被讀者存人一個(gè)寄存器時(shí)，讀者就發(fā)出一個(gè)就緒信號(hào)。當(dāng)寫者看到就緒信號(hào)時(shí)，讀取讀指針，發(fā)出一個(gè)收到數(shù)據(jù)的確認(rèn)信號(hào)。當(dāng)讀者看到確認(rèn)信號(hào)時(shí)，就收回就緒信號(hào)，然后用當(dāng)前的讀指針值刷新寄存器(圖2)。在收到確認(rèn)信號(hào)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(shí)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(dòng)只變化一位，這樣就避免了由于指針多位同時(shí)變化而無法直接同步的問題。圖3表示了一個(gè)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(jìn)行位異或運(yùn)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(jìn)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(gè)內(nèi)存地址，每一次遍歷后狀態(tài)位取反。值得注意的一點(diǎn)，是當(dāng)指針從0100變化到1100的時(shí)候，相應(yīng)的地址由100變?yōu)?00，狀態(tài)位和一位地址同時(shí)發(fā)生了變化，所以不能同步由另一個(gè)時(shí)鐘域格雷碼指針產(chǎn)生的狀態(tài)位和地址位，此時(shí)應(yīng)該直接由另一個(gè)時(shí)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(jì)，無論是采用握手還是直接同步的方法來獲取對方時(shí)鐘域的指針，對滿空信號(hào)的判斷總是“保守”的。
(1)滿空信號(hào)的復(fù)位(滿信號(hào)復(fù)位表示FIFO非滿，空信號(hào)復(fù)位表示FIFO非空)和實(shí)際FIFO的情況相比有一定的延遲。例如，空信號(hào)是由讀者用讀指針與同步或握手后得到的寫指針進(jìn)行比較產(chǎn)生的。由于同步或握手需要一定的時(shí)間，在這段時(shí)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(shí)FIFO已經(jīng)非空，但此刻空信號(hào)仍然沒有復(fù)位。對于寫者而言，滿信號(hào)的復(fù)位也會(huì)遇到相同的問題。不過，在通常情況下，F(xiàn)IFO只要確保不會(huì)向下溢出或向上溢出，復(fù)位的延遲就不會(huì)導(dǎo)致向下溢出或向上溢出，是可以接受的。
(2)滿空信號(hào)的置位(滿信號(hào)置位表示FIFO滿，空信號(hào)置位表示FIFO空)和FIFO的實(shí)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(jìn)行比較，由于FIFO為空
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