原创 平行宇宙的追逐--异步FIFO控制器的设计

 

平行宇宙的追逐--异步FIFO控制器的设计。

   在逻辑设计中，通常会用到异步FIFO，异步FIFO控制器是经典的异步信号传输的范例，通过FIFO控制器与异步双端口RAM的组合实现数据的从一个时钟域到另一个时钟域的传输。在IC设计/FPGA设计中，可以通过designware或其他IP生成器可以例化相关设计，但是如何设计一个适合系统的异步fifo控制器，不依赖其他IP，是本文所讨论的重点。

 

 

    上图所示：FIFO由fifo控制器生成，FIFO控制器为逻辑生成，而RAM可使用memory complier生成。对于异步FIFO控制器，最重要控制的两个信号就是满与空，其他信号都产生机理都可以此类推， 如何产生这两个信号？下面就引出了平行宇宙的追逐故事。

 

       平行宇宙的追逐故事，假设存在存在两个平行宇宙（PUSH和POP），平行宇宙上有两个人（W和R），这两个人都沿着平行宇宙的圈在追逐，但是有一个规则：

     （1）R不能超过W。

     （2）W不能超过R的对角线。

    如上图所示，W和R就可以一直沿着所制定的规则进行追逐游戏，总是W先跑，R在后面追，W超不过R半圈，R不能超过W。

    但是存在一个问题，W和R在两个平行宇宙中，W不知道R现在的位置，R也不知道W现在的位置，因此W和R需要知道彼此的位置，才能按照预设的规则运行。

     因此W位置和R的位置需要通过一种机制传输到对面的宇宙上。这个位置分别就是W_b 和R_b; 因此，上述规则变成了，R不能超过W_b和W不能超过R_b的对角线。如果W跑到了R_b的对角线，则这种事件叫做满（FULL），而如果R跑到W_b的位置，则这种事件叫做空（empty）。W和R分别叫做读指针和写指针。因此，异步FIFO的机制就类似上述的平行宇宙的追逐关系。

 

      上图所示：若W跑到R_b的对面，则为full，此时RAM中存储N的深度；若R赶上W_b,则RAM中存储深度为0.则为empty。

     那如何在平行宇宙PUSH和POP之间传递W和R当前位置的信号？答案如下：

     需要将先讲W转换成格雷码W_gray=（W^(W>>1）），然后将将W_gray码寄存两拍，然后将寄存两拍后数据W-_gray_d2转换成二进制的（W_b）（具体装换方式见代码实现），通过上述操作，则我们得到的W_b,  此时能够保证 W_b ≤W ，同样以此类推得到R_b;此时能够保证在跨时钟域操作中，因为格雷码每次只变化1bit，因此跨时钟域采样时要么变化1bit，要么不变化。因此保证W在变化时（例如W+1），要么W_b的状态保持不变（为W），要么为（W+1），而不会是其他状态。

     综上：我们就可以设计一个FIFO控制器，通过比较读指针和写指针以及读指针和写指针异步同步信号（W_b,R_b），可以产生空满状态，以及其他控制状态，从而实现异步时钟域的数据的传输。

     另外：如果需要数据在还没有POP读出时，就首先在dout端口上（frist word full through ），即在非空状态下，输出最早写入的值，读信号有效是，读信号与读数据同一拍。则需要RAM的读数据提前读出值来，即在非空标示的前一拍，为空时，就提前将数据读出，并且在非空时，要将读地址+1；详细见代码所示；

      如果写数据位宽与读数据位宽不匹配，假如为整数关系，则也可以用上述模型来实现，只不过W和R的平行宇宙的大小按比例缩小或放大即可，其相位关系不变。

 

 附录：fifo控制器源码：

//=================================================================

//MODULE  NAME :async_fifo_ctrl

//FUNCTION     : fifo fucntion

//             : 1,transmit data cross asynchronouc clock domain

//             : 2,generate control signal, empty/full and so on;

//             : 3,support first word down through.

// AUTHOR      : lihui_140601 @163.com

// modify info : v1.0 build this module,10/30/15

//=================================================================

module async_fifo_ctrl(

           push_clk,

           push_rst_n,

           pop_clk,

           pop_rst_n,

           push,

           push_din,

           pop,

           pop_dout,

           push_full,

           pop_empty,

           push_almost_full,

           pop_almost_empty,

           push_progfull, 

           pop_progempty,

           push_cnt,

           pop_cnt,

           ram_din,

           ram_we,

           ram_we_addr,

           ram_dout,

           ram_rd,

           ram_rd_addr

       );

parameter    fifo_depth = 8;

parameter    wr_data_w  = 32;

parameter    rd_data_w  = 32;

parameter    wr_depth_add =  (wr_data_w/rd_data_w == 32)? 5:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 16)? 4:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 8)? 3:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 4)? 2:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 2)? 1:0;

parameter    rd_depth_add =  (rd_data_w/wr_data_w == 32)? 5:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 16)? 4:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 8)? 3:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 4)? 2:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 2)? 1:0;

parameter    wr_depth    = fifo_depth + wr_depth_add;

parameter    rd_depth    = fifo_depth + rd_depth_add;

parameter    fwdt        = 1;  //first word down through

 

input                      push_clk;

input                      push_rst_n;

input                      pop_clk;

input                      pop_rst_n;

input                      push;

input   [(wr_data_w-1):0]  push_din;

input                      pop;

output  [(rd_data_w-1):0]  pop_dout;

output                     push_full;

output                     pop_empty;

output                     push_almost_full;

output                     pop_almost_empty;

output                     push_progfull; 

output                     pop_progempty;

output [(wr_depth-1):0]    push_cnt;

output [(rd_depth-1):0]    pop_cnt;

output [(wr_data_w-1):0]   ram_din;

output                     ram_we;

output [(wr_depth-1):0]    ram_we_addr;

input  [(rd_data_w-1):0]   ram_dout;

output                     ram_rd;

output [(rd_depth-1):0]    ram_rd_addr;

//internal signal define

reg                        push_full;

reg                        pop_empty;

reg                        push_almost_full;

reg                        pop_almost_empty;

 

reg   [wr_depth:0] push_wr_cnt;

wire  [wr_depth:0] push_wr_cnt_tmp;

wire  [wr_depth:0] push_wr_cnt_gray;

reg   [wr_depth:0] push_wr_cnt_gray_d1;

reg   [wr_depth:0] push_wr_cnt_gray_d2;

wire  [wr_depth:0] push_wr_cnt_sync;

reg   [rd_depth:0] pop_rd_cnt;

wire  [rd_depth:0] pop_rd_cnt_tmp;

wire  [rd_depth:0] pop_rd_cnt_gray;

reg   [rd_depth:0] pop_rd_cnt_gray_d1;

reg   [rd_depth:0] pop_rd_cnt_gray_d2;

wire  [rd_depth:0] pop_rd_cnt_sync;

wire  [wr_depth+wr_depth_add:0] push_wr_cnt_tmp_cmp;

wire  [wr_depth+wr_depth_add:0] push_wr_cnt_sync_cmp;

wire  [rd_depth+rd_depth_add:0] pop_rd_cnt_tmp_cmp;

wire  [rd_depth+rd_depth_add:0] pop_rd_cnt_sync_cmp;

wire  [(wr_depth+wr_depth_add):0]    push_cnt_tmp;

wire  [(rd_depth+rd_depth_add):0]    pop_cnt_tmp;

//-----------------------------------------------------------------------------

//push clk  space //write to ram

//-----------------------------------------------------------------------------

assign push_wr_cnt_tmp = (push  && !push_full) ? push_wr_cnt + 1'b1 : push_wr_cnt;

always@(posedge push_clk or negedge push_rst_n)

  if(!push_rst_n)

    push_wr_cnt <= 0;

  else

    push_wr_cnt <= push_wr_cnt_tmp;

   

assign push_wr_cnt_gray = push_wr_cnt ^ (push_wr_cnt >> 1)  ;//

 

 

//-----------------------------------------------------------------------------

//pop clk  space // read from ram

//-----------------------------------------------------------------------------

assign pop_rd_cnt_tmp =  (pop  && !pop_empty)? pop_rd_cnt + 1 : pop_rd_cnt;

 

always@(posedge pop_clk or negedge pop_rst_n)

  if(!push_rst_n)

    pop_rd_cnt <= 0;

  else

    pop_rd_cnt <= pop_rd_cnt_tmp;

 

assign  pop_rd_cnt_gray = pop_rd_cnt ^ (pop_rd_cnt>>1) ;//

 

//-----------------------------------------------------------------------------

//binay to gray code ,

//-----------------------------------------------------------------------------

always@(posedge push_clk or negedge push_rst_n)

  if(!push_rst_n) begin

    pop_rd_cnt_gray_d1 <= 0;

    pop_rd_cnt_gray_d2 <= 0;

  end

  else begin

    pop_rd_cnt_gray_d1 <= pop_rd_cnt_gray;

    pop_rd_cnt_gray_d2 <= pop_rd_cnt_gray_d1;

  end

 

generate

  genvar i;

    assign pop_rd_cnt_sync[fifo_depth] =   pop_rd_cnt_gray_d2[fifo_depth];//

   for(i=fifo_depth-1;i>=0 ;i=i-1) begin: pop_gray_binay

     assign pop_rd_cnt_sync  = pop_rd_cnt_sync[i+1] ^ pop_rd_cnt_gray_d2;//

   end

endgenerate

 

always@(posedge pop_clk or negedge pop_rst_n)

  if(!pop_rst_n) begin

    push_wr_cnt_gray_d1 <= 0;

    push_wr_cnt_gray_d2 <= 0;

  end

  else begin

    push_wr_cnt_gray_d1 <= push_wr_cnt_gray;

    push_wr_cnt_gray_d2 <= push_wr_cnt_gray_d1;

  end

 

generate

  genvar j;

   assign  push_wr_cnt_sync[fifo_depth]  =  push_wr_cnt_gray_d2[fifo_depth];//

   for(j=fifo_depth-1;j>=0 ;j=j-1) begin: push_gray2binay

     assign  push_wr_cnt_sync[j]  =  push_wr_cnt_sync[j+1] ^ push_wr_cnt_gray_d2[j];//

   end

endgenerate

 

//genrate fifo empty

always@(posedge pop_clk or negedge pop_rst_n)

  if(!pop_rst_n)

    pop_empty <= 1'b0;

  else if({pop_rd_cnt_tmp,{rd_depth_add{1'b0}}}  == {push_wr_cnt_sync,{wr_depth_add{1'b0}}})//pop read count and push write count  

    pop_empty <= 1'b1;

  else

    pop_empty <= 1'b0;

 

//generate push fifo full;

always@(posedge push_clk or negedge push_rst_n)

  if(!push_rst_n)

    push_full <= 1'b0;

  else if({push_wr_cnt_tmp,{wr_depth_add{1'b0}} } ==  {!pop_rd_cnt_sync[fifo_depth],  pop_rd_cnt_sync[(fifo_depth-1):0],{rd_depth_add{1'b0}}})

    push_full <= 1'b1;

  else

    push_full <= 1'b0;

 

//genrate fifo  almost empty

always@(posedge pop_clk or negedge pop_rst_n)

  if(!pop_rst_n)

    pop_almost_empty <= 1'b0;

  else if({(pop_rd_cnt_tmp + 1),{rd_depth_add{1'b0}}} == {push_wr_cnt_sync,{wr_depth_add{1'b0}}})

    pop_almost_empty <= 1'b1;

  else

    pop_almost_empty <= 1'b0;

 

//generate push almost full;

always@(posedge push_clk or negedge push_rst_n)

  if(!push_rst_n)

    push_almost_full <= 1'b0;

  else if({(push_wr_cnt_tmp + 1),{wr_depth_add{1'b0}}}  ==  {!pop_rd_cnt_sync[fifo_depth],  pop_rd_cnt_sync[(fifo_depth-1):0],{rd_depth_add{1'b0}}})

    push_almost_full <= 1'b1;

  else

    push_almost_full <= 1'b0;

 

 

//generate  push count for push clk and pop count for pop clk, used for generating progfull and other signal

assign  pop_rd_cnt_tmp_cmp    =  {pop_rd_cnt_tmp,{rd_depth_add{1'b0}}};//

assign  push_wr_cnt_sync_cmp  =  {push_wr_cnt_sync,{wr_depth_add{1'b0}}};//

assign  push_wr_cnt_tmp_cmp   =  {push_wr_cnt_tmp,{wr_depth_add{1'b0}}};//

assign  pop_rd_cnt_sync_cmp   =  {pop_rd_cnt_sync,{rd_depth_add{1'b0}}};//

assign  push_cnt_tmp  = (push_wr_cnt_tmp_cmp  > pop_rd_cnt_sync_cmp) ?

                         push_wr_cnt_tmp_cmp - pop_rd_cnt_sync_cmp :

                         {1'b1,push_wr_cnt_tmp_cmp} - pop_rd_cnt_sync_cmp;

assign  pop_cnt_tmp   = (push_wr_cnt_sync_cmp > pop_rd_cnt_tmp_cmp)  ? 

                        push_wr_cnt_sync_cmp - pop_rd_cnt_tmp_cmp :

                        {1'b1,push_wr_cnt_sync_cmp} - pop_rd_cnt_tmp_cmp ;

assign  push_cnt =  push_cnt_tmp[(wr_depth+wr_depth_add-1):wr_depth_add];   

assign  pop_cnt  =  pop_cnt_tmp[(rd_depth+rd_depth_add-1):rd_depth_add];   

 

 

//-----------------------------------------------------------------------------

//ram interface

//-----------------------------------------------------------------------------

assign ram_we_addr = push_wr_cnt[(wr_depth-1):0] ;//

assign ram_we      = push & !push_full ;//

assign ram_din     = push_din;

assign pop_dout    = ram_dout;

 

generate if(fwdt == 1) begin

assign ram_rd_addr = pop_rd_cnt[(rd_depth-1):0] + !pop_empty ;//

assign ram_rd      = pop & !pop_empty  | pop_empty;//

end

else begin

assign ram_rd_addr = pop_rd_cnt[(rd_depth-1):0] ;//

assign ram_rd      = pop & !pop_empty ;//

end

endgenerate

endmodule

 //以下为双端口RAM的仿真模型，将控制器与模型连接在一起，即可仿真。

module  dual_ram(

         we_clk,

         rd_clk,

         we,

         rd,

         we_data,

         rd_data,

         we_addr ,

         rd_addr

         );

 

parameter    ram_depth = 8;

parameter    wr_data_w  = 32;

parameter    rd_data_w  = 32;

parameter    wr_depth_add =  (wr_data_w/rd_data_w == 32)? 5:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 16)? 4:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 8)? 3:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 4)? 2:

                             (wr_data_w/rd_data_w == 2)? 1:0;

parameter    rd_depth_add =  (rd_data_w/wr_data_w == 32)? 5:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 16)? 4:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 8)? 3:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 4)? 2:

                             (rd_data_w/wr_data_w == 2)? 1:0;

parameter    wr_depth    = ram_depth + wr_depth_add;

parameter    rd_depth    = ram_depth + rd_depth_add;

 

 

input                     we_clk;

input                     rd_clk;

input                     we;

input                     rd;

input [(wr_data_w-1):0]   we_data;

input [(wr_depth-1):0]    we_addr ;//

input [(rd_depth-1):0]    rd_addr ;//

 

output [(rd_data_w-1):0]   rd_data;

 

reg    [(rd_data_w-1):0]   rd_data;

reg [(wr_data_w-1):0]  ram_reg[(1 << ram_depth) :0] ;

 

always@(posedge we_clk)

  if(we)

       ram_reg[we_addr] <= we_data;

always@(posedge rd_clk)

  if(rd)

       rd_data <= ram_reg[rd_addr];

endmodule