異步FIFO設計

摘要：本文介紹如何應用美國QUICKLOGIC公司的QUICKRAM器件設計高速、高可靠異步FIFO（Asynchronous FIFO）。

異步FIFO廣泛地用于計算機網絡工業(yè)中進行非同步數(shù)據(jù)傳送，這里的非同步指按一種速率發(fā)送而按另一速率接收。因此異步FIFO有兩個不同的時鐘，一個為讀同步時鐘，一個為寫同步時鐘。

當數(shù)據(jù)從一個時鐘驅動的模塊進入另一個時鐘驅動的模塊時，一個需仔細解決的問題就出現(xiàn)了。例如當寫時鐘比讀時鐘快時，未讀走數(shù)據(jù)有可能被新數(shù)據(jù)覆蓋，因而導致數(shù)據(jù)丟失。為了解決這個問題，就必須增加一些控制信號和狀態(tài)信號，控制信號如pusb、pop，狀態(tài)信號如empty,almostempty,full,almost-full。

功能描述

典型的異步FIFO（AsynFIFO）都是由異步雙端口RAM和控制邏輯構成，控制邏輯包含讀指針和寫指針。

當FIFO中有數(shù)據(jù)而非空時，POP信號（同步于讀時鐘）用于控制數(shù)據(jù)的讀出，所讀數(shù)據(jù)來自讀指針所指的（AUAL PORT RAM）中的存儲單元，并且讀指針加一。當讀指針趕上寫指針時，F(xiàn)IFO為空并且用empty信號（同步于讀時鐘）來指示這種情況。

當FIFO中有空間而非滿時，PUSH信號（同步于寫時鐘）用于控制數(shù)據(jù)的寫入，所寫數(shù)據(jù)寫入寫指針所指的雙端口RAM中的存儲單元，并且寫指針加一。當寫指針趕上讀指針時，F(xiàn)IFO為滿足并且用full信號（同步于寫時鐘）來指示這種情況。

當FIFO中只剩不足三個數(shù)據(jù)時，almost-empty有效（同步于讀時鐘）。類似地，當FIFO中還有不足四個空位時almost-full將有效（同步于寫時鐘）。用戶可根據(jù)需要修改讀、寫側的計數(shù)器初始值，從而確定所需要的almost-empty和almost-full提前量。例如當計數(shù)器初始化為7時，almost-empty和almost-full將分別比empty和full提前7個位置。讀側和寫側的狀態(tài)機將根據(jù)內部比較器的輸出來確定這些狀態(tài)信號。每側的狀態(tài)機都有兩上D觸發(fā)器，構成雙同步，這樣的設計可大幅度提高系統(tǒng)的可靠性，使得平均元故障時間（MTBF）可大于100年。

結構

圖1為AsynFIFO的頂層設計框圖（Quicklogic免費提供全部設計文件），并給出了各相模塊的設計文件名。圖中各模塊可根據(jù)要求修改，以增加FIFO的寬度和深度。請注意，本文圖中沒有給出讀側和寫側的狀態(tài)機。

RAM塊

圖1中用了一個64×32的RAM塊。該RAM塊由Verilog代碼定義，該代碼由SpDE內的RAM/ROM/FIFO向導自動產生。在向導中用戶可自由指定所需的寬度和深度，向導自動產生所需的Verilog/VHDL代碼和原理圖中所需的symbol。

比較器

參考設計中的比較器為5位，采用純原理圖方法輸入。當用戶修改了RAM塊的深度時，比較器的寬度也要與之對應。例如當FIFO深度為256時，地址須為8位，因而是比較器也應為8位。

格雷碼計數(shù)器

為了提高MTFB，設計中采用了格雷碼計數(shù)器，該計數(shù)器為5位，采用Verilog/VHDL語言實現(xiàn)。它們可以被改成6位、7位、8位、9位，以對應深度為64、128、256、512的FIFO。

鎖存器

圖中的鎖存器為verilog/VHDL語言所寫，讀側有三個，寫側有一個，用戶可自由地修改其寬度。它們用于狀態(tài)、控制信號的產生。

性能

RARTS：QuickRAM family

AREA：48 buffer cells

Speed：write colck(WCLK)=136MHz,read clock(RCLK)=129MHz

結論

采用QuickRAM器件實現(xiàn)異步FIFO方便靈活，并且速度快，成本低，還可以實現(xiàn)非常規(guī)深度和寬度的專用FIFO。