原创 【博客大赛】经典异步FIFO设计方案的深入解读

写在前面：

无论是数据通讯或者SOC（包括FPGA或者ASIC设计）设计，跨时钟域（clock domain crossing）处理都是一件让人很头疼的事情，无论是在设计的前端或者步入设计的后端，都没有很好的工具去做保证，只能靠设计人员的经验进行最大的保证，然而这个问题如果处理不好，你的整个设计可能就完全报废，而最怕的是你的设计时好时坏，有时稳定，有时出错，这个时候你甚至很难进行定位（尤其是上了FPGA开发板或者芯片已经tapout了）。

一般而言，处理跨时钟域的方法有这么几种（大家在网上也都能找到资料，这些资料大都来自几篇经典的论文，中文方面的资料大都是翻译过着理解这几篇论文而来）：少量的数据用边沿检测电路，或者脉冲检测电路，或者电平检测电路，或者两级触发器；比较多的数据时用异步FIFO。

本文侧重讲解本人对异步FIFO的深入理解，讲解两种经典的异步FIFO的设计方案，这两种方案来自一篇文章《simulation and synthesis techniques for asynchronous FIFO design》，大家可自行下载，设计思路这篇文章里面介绍的很详细，解释的也很出色，我更多的是谈谈我的部分理解。

1、异步FIFO设计的难点在哪里

1）写地址和读地址处于不同的时钟域，如何比对写地址和读地址才能正确的产生空满信号；

2）当读写地址相同时，究竟是读空了还是写满了（因为存在你追我赶的情况，类似于一个圆环）。

2、处理思路

    1）对于难点1大家自然想到采用同步处理的方式，具体为将写地址或者读地址同步（例如利用两级触发器）到对方的时钟域中，在相同的时钟域中进行地址的比对，但是由于写地址和读地址很多时候并不止1bit，同时进行同步处理会增大错误的概率（如地址按0111->1000跳变，此时4bit都在变化，DFF进行同步时就很容易出错），因而可以先将地址（二进制的）转换为格雷码（相邻数据之间只有一个bit在变化），然后再进行同步，最后进行对比，这样会大大减少错误的概率。

2）对于难点2可以在地址前面添加1bit用于标志位进行区分，例如复位时，读写地址的标志位都是0，如果写完1轮而开始新的一轮时就将写地址的标志位换为1（读也同样道理变换），这样可以通过判断标志位加上对比地址判断是空还是满，具体为当读写地址的标志位相同读写地址相同时为读空，具体为当读写地址的标志位不同读写地址相同时为写满；另外也可以利用格雷码的最高两位00->01->10->11进行相位的区分，具体参考我给出的文章或者网络资料，其实本质上和上面的是一个道理。

3、经典FIFO设计方案的解读

1）同步读写地址（经格雷码转换后）到对方的时钟域

相比于直接同步二信号进制地址（先用握手，然后同步二进制地址）好处是格雷码相邻数据之间只有一个bit在变化，而二进制由于写地址和读地址很多时候并不止1bit，同时进行同步处理会增大错误的概率（如地址按0111->1000跳变，此时4bit都在变化，DFF进行同步时就很容易出错）；利用格雷码进行同步，即使发生同步的时出错也不会造成overrun和underrun的情况（因为同步后的数据必定小于等于同步前的数据，即只可能1被同步为0，而不可能0被同步为1），例如当前的读地址到了6，写地址到了8，地址8经过同步后出错而变成了6，这时会出现地址相同而判断为读空，不过没关系，读空则不读，至少不会出现underrun的情况，随着时间的推移地址8总会被采样到；然而格雷码也有缺点，只能连续变化递增或者递减（如果间隔变化就不符合格雷码的特点了），所以设计的深度必须是2的n次幂，如果不是的话，需要重新产生编码格雷码，否则也会出现间隔变化不符合相邻之间只有1bit变化的特点。

2）将读写地址（经格雷码转换后）同步到一个组合逻辑电路中（异步比较）直接比较空满，然后将空满信号同步到各自对应的模块中

虽然这种电路会给fifo带来不好的状态，例如已经满了wfull==1，但是这个时候读走一个数据，由于同步的延时性，导致这一段时间内wfull==1一直不变（如果没有同步带来的延时应该变为0的），rempty也会遇到同样的问题，但是这种电路不会出现underrun和overrun的情况。

3）2）相比1）可能会节省面积，因为1）同步wptr[n-1:0]和rptr[n-1:0]，2）只需要同步afull_n，aempty_n;1）的速率可能较2）会快些，2）中存在异步且组合逻辑比较，不利于时序的优化。