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异步FIFO设计思路，阅读并理解这篇文章，你可称为异步FIFO大拿

由 judy 提交于

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异步FIFO通常用于跨时钟域处理，是逻辑设计常用基础模块。

<strong>一，异步FIFO结构及特点</strong>
异步FIFO也分为三个部分：FIFO写控制逻辑，FIFO读控制逻辑以及FIFO存储实体。这里作者习惯使用push（等同写）pop（等同读）来表述FIFO的概念。

需要特别注意异步FIFO的特点
<li>pop和push处于不同的时钟域</li>
<li>RAM的读写在不同的时钟域</li>
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100574307-3170…; alt=""></center>

<strong>二，空满产生方案（二进制对比）</strong>

FIFO空满状态产生判断只能使用方法二。

<li>empty是pop时钟域信号。当wr_ptr_pop等于rd_ptr时，表示FIFO为空。这里wr_ptr_pop是wr_ptr信号同步到pop时钟域的信号。</li>

<li>full是push时钟域信号。需要借助rd_ptr_push和wr_ptr进行判断，其中rd_ptr_push是rd_ptr信号同步到push时钟域的信号。</li>

1.wr_ptr跨时钟域到wr_ptr_pop的处理过程为：

<li>wr_ptr_b2g:在push时钟域上，wr_ptr由二进制转换为格雷码；</li>
<li>在pop时钟域采用两级打拍的方式，将wr_ptr_b2g采样为wr_ptr_b2g_pop的信号。</li>
<li>在pop时钟域，将wr_ptr_b2g_pop信号进行g2b的转换，产生wr_ptr_pop。</li>
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100574307-3170…; alt=""></center>

2.rd_ptr跨时钟域到rd_ptr_pop的处理过程为：
<li>rd_ptr_b2g:在 pop时钟域上，rd_ptr由二进制转换为格雷码；</li>
<li>在push时钟域采用两级打拍的方式，将rd_ptr_b2g采样为rd_ptr_b2g_push的信号。</li>
<li>在push时钟域，将rd_ptr_b2g_push信号进行g2b的转换，产生rd_ptr_push。</li>

<strong>三，优化方案：格雷码对比，产生空满</strong>

电路优化：我们可以使用格雷码进行对比，产生空满信号，时序和时延都会得到改善。
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100574307-3170…; alt=""></center>

1.空状态判断

二进制数值判断条件：rd_ptr == wr_ptr_pop

等价于<=>

格雷码数值判断条件：rd_ptr_grad == wr_ptr_pop_grad

可参考下图的格雷码变换
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100574307-3170…; alt=""></center>

2.满状态判断

二进制数值判断条件：wr_ptr[4] == !rd_ptr_push[4] &&

wr_ptr[3:0] == rd_ptr_push[3:0]

等价于格雷码数值判断：

wr_ptr_grad[4] == !rd_ptr_push_grad[4] &&

wr_ptr_grad[3] == !rd_ptr_push_grad[3] &&

wr_ptr_grad[2:0] == rd_ptr_push_grad[2:0]

如二进制最高bit不同，会使转换后的格雷码最高和次高bit值不同。 即：高两位相反，低位相同；

可参考下图的格雷码变换：
<center><img src="https://cdn.eetrend.com/files/2023-09/%E5%8D%9A%E5%AE%A2/100574307-3170…; alt=""></center>

<strong>四，总结</strong>

<li>空满判断的读写指针必须是同一个时钟域上的信号。</li>
<li>读写指针需要经过二进制变换到格雷码。</li>
<li>读写指针格雷码在对端时钟域打两拍同步到对端时钟域上。</li>
<li>使用同一时钟域的格雷码信号进行对比得到空满信号。</li>