原创 异步FIFO的设计

     异步FIFO的设计是一个老生常谈的问题了，网上有很多很经典的教程和论文。此处以

Clifford E.
Cummings的文章'Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO
Design'为基础，给出自己的理解方式。

 首先， FIFO的核心之一在于怎样判断FIFO的空/满状态。为了保证数据正确的写入或读出，而不发生益处或读空的状态出现，必须保证FIFO在满的状态下，不能进行写操作；在空的状态下不能进行读操作。因此怎样判断FIFO的满/空就成了FIFO设计的核心问题。    

 FIFO设计的另一个问题是亚稳态问题。由于设计的FIFO为异步FIFO，读写时钟互相独立，那么如何将亚稳态的发生概率降到较低程度也是一个很重要的问题。例如，当二进制读地址从0111向1000变化的时侯，地址所有的位都要变化，如果写时钟恰好在读地址的变化时刻采样，写所得到的读地址值有可能是从0000到1111中的任何一个。可采用Gray码形式，由于Gray每次只变化一位，采用Gray可以大大降低亚稳态的发生的概率。

构造一个指针宽度为N+1，深度为2^N的FIFO。为什么深度为2^N的FIFO，其指针宽度不是N而是N+1？

先看下面数据格式转换表，将地址转换成Gray码形式。以十进制0~15为例：

       bin 
---- gray   ----  status  ----  addr  

0     0000   
0 0 00        0         000 (0)

1     0001   
0 0 01        0         001 (1)

2     0010   
0 0 11        0         011 (2)

3     0011   
0 0 10        0         010 (3)

4     0100   
0 1 10        0         110 (4)

5     0101   
0 1 11        0         111 (5)

6     0110   
0 1 01        0         101 (6)

7     0111   
0 1 00        0         100 (7)

8     1000   
1 1 00        1         000 (0)

9     1001   
1 1 01        1         001 (1)

10    1010   
1 1 11        1         011 (2) 

11    1011   
1 1 10        1         010 (3) 

12    1100   
1 0 10        1         110 (4) 

13    1101   
1 0 11        1         111 (5) 

14    1110   
1 0 01        1         101 (6) 

15    1111   
1 0 00        1         100 (7)

在此构造一个深度为8的FIFO， WIDTH=8， DEPTH= 2^N = 8，N = 3，指针宽度为N+1=4。

观察上面Gray码的形式，后两位始终为二进制码0~3的循环，而要表征的地址范围为0~7，因此必须采取适当的方法重新生成地址。这里地址可由两部分组成：最高位由Gray码的前两位异或而得，后两位由Gray码的后两位填充，即上图addr列下的数据。

最高位实际上作为空满标志位。假设起初读地址和写地址均为“0000”（转换成二进制）。此时FIFO中写入8个数据。写地址为 “1000”， 读地址为“0000”，这就是满条件。假设又执行了8次的读操作，使得读地址为“1000”，这就是空条件。另外的8次写操作将使写地址等于“0000”，但读地址仍然等于“1000”，因此FIFO为满条件。这里很容易可得到空满条件。

上面所述采用了格雷码形式，类似的我们可以得到一个“准格雷码”形式的异步FIFO，看下面的转换表：

 bin-------gray------quasi_gray

0000    0 000     
0 000

0001    0 001     
0 001

0010    0 011     
0 011

0011    0 010     
0 010

0100    0 110     
0 110

0101    0 111     
0 111

0110    0 101     
0 101

0111    0 100     
0 100

1000    1 100     
1 000

1001    1 101  
   1 001

1010    1 111     
1 011

1011    1 110     
1 010

1100    1 010     
1 110

1101    1 011     
1 111

1110    1 001     
1 101

1111    1 000     
1 100

总结：从上面两张表很容易就可以理解异步FIFO工作的原理，最关键的还是要吃透异步FIFO的设计思想，掌握了设计思想很容易就可以给出相应的代码。

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