基于Verilog HDL的異步FIFO設計與實現(xiàn)

　　在現(xiàn)代IC設計中，特別是在模塊與外圍芯片的通信設計中，多時鐘域的情況不可避免。當數(shù)據(jù)從一個時鐘域傳遞到另一個域，并且目標時鐘域與源時鐘域不相關時，這些域中的動作是不相關的，從而消除了同步操作的可能性，并使系統(tǒng)重復地進入亞穩(wěn)定狀態(tài)[1]。在有大量的數(shù)據(jù)需要進行跨時鐘域傳輸且對數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場合，異步FIFO是一種簡單、快捷的解決方案。

　　異步FIFO用一種時鐘寫入數(shù)據(jù)，而用另外一種時鐘讀出數(shù)據(jù)。讀寫指針的變化動作由不同的時鐘產(chǎn)生。因此，對FIFO空或滿的判斷是跨時鐘域的。如何根據(jù)異步的指針信號產(chǎn)生正確的空、滿標志，是異步FIFO設計成敗的關鍵。本文提出一種新穎的異步FIFO設計方案，它通過先比較讀寫地址并結(jié)合象限檢測法產(chǎn)生異步的空/滿標志，再把異步的空/滿標志同步到相應的時鐘域。通過仿真驗證，該方法是穩(wěn)定有效的。

　　1 異步信號傳輸問題的分析

　　在一個ASIC或FPGA庫中，每種觸發(fā)器都有時序要求。對于使用上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器來說，建立時間(Setup Time)是在時鐘上升沿到來之前，觸發(fā)器數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的最小時間；而保持時間(Hold Time)是在時鐘上升沿到來之后，觸發(fā)器數(shù)據(jù)還應該保持的最小時間[2]。如圖1所示，在時鐘上升沿前后的這個窗口內(nèi)數(shù)據(jù)應該保持不變，否則會使觸發(fā)器工作在一個不確定的狀態(tài)，即亞穩(wěn)態(tài)。當觸發(fā)器處于亞穩(wěn)態(tài)，且處于亞穩(wěn)態(tài)的時間超過了一個時鐘周期時，這種不確定的狀態(tài)將會影響到下一級的觸發(fā)器，最終導致連鎖反應，從而使整個系統(tǒng)功能失常。當一個信號跨越某個時鐘域時，對新時鐘域的電路來說它就是一個異步信號。由于異步信號之間的時序是毫無關系的，因此必然存在Setup Time/Hold Time沖突。為了避免亞穩(wěn)態(tài)問題，采用如圖2所示的雙鎖存器法[3]，即在一個信號進入另一個時鐘域前，將該信號用兩個鎖存器連續(xù)鎖存兩次，最后得到的采樣結(jié)果就可以消除亞穩(wěn)態(tài)。

　　消除亞穩(wěn)態(tài)只是保證了信號電平的穩(wěn)定，要在不同時鐘域中準確傳輸數(shù)據(jù)還需要一個接口電路。異步FIFO就是一種不同時鐘域之間傳遞多位數(shù)據(jù)的常用方法。

　　2 異步FIFO設計

　　異步FIFO是一種先進先出電路，用在需要實時數(shù)據(jù)接口的部分，用來存儲、緩沖在兩個異步時鐘之間的數(shù)據(jù)傳輸。主要由雙口存儲器、讀地址產(chǎn)生邏輯、寫地址產(chǎn)生邏輯、空/滿標志產(chǎn)生邏輯四部分構(gòu)成。圖3是一種常用的異步FIFO設計方案，其中，讀地址(rptr)和空標志(rempty)由讀時鐘 (rclk)產(chǎn)生，而寫地址(wptr)和滿標志(wfull)由寫時鐘(wclk)產(chǎn)生。把寫地址與讀地址相互比較以產(chǎn)生空/滿標志。由于讀寫地址的變化由不同的時鐘產(chǎn)生，所以對FIFO空或滿的判斷是跨時鐘域的。如何避免異步傳輸帶來的亞穩(wěn)態(tài)以及正確地產(chǎn)生空/滿標志是設計異步FIFO的難點。

　　2.1 讀寫地址產(chǎn)生邏輯

　　讀寫地址線一般有多位，如果在不同的時鐘域內(nèi)直接同步二進制碼的地址指針，則有可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。例如，讀指針從011變化到100時，所有位都要變化，讀指針的每一位在讀時鐘的作用下，跳變不一致，即產(chǎn)生毛刺。如果寫時鐘恰好在讀指針的變化時刻采樣，得到的采樣信號可能是000～111中的任何一個，從而導致空/滿信號判斷錯誤。由實踐可知，同步多個異步輸入信號出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率遠遠大于同步一個異步信號的概率[3]。解決這一問題的有效方法是采用格雷碼。格雷碼的主要特點是相鄰的兩個編碼之間只有一位變化。圖4是格雷碼產(chǎn)生的邏輯框圖。在讀使能或?qū)懯鼓苄盘栍行?、并且?滿標志無效的情況下，讀寫指針開始累加，進行FIFO讀或?qū)懖僮?。二進制碼與格雷碼的轉(zhuǎn)換是一個“異或”運算：gnext=(bnext>>1)^bnext。格雷碼gnext 經(jīng)寄存器輸出格雷碼指針ptr。這種方法采用了兩組寄存器，雖然面積較大，但是有助于提高系統(tǒng)的工作頻率。

　　2.2 空/滿標志產(chǎn)生邏輯

　　正確地產(chǎn)生空/滿標志是設計任何類型FIFO的關鍵點?？?滿標志產(chǎn)生的原則是：寫滿而不溢出，能讀空而不多讀。傳統(tǒng)的異步FIFO把讀寫地址信號同步后再進行同步比較以產(chǎn)生空滿標志，由于讀寫地址的每一位都需要兩級同步電路，大量使用寄存器必然要占用很大的面積。這種方法不適合設計大容量的FIFO。當讀、寫指針相等也就是指向同一個內(nèi)存位置時，F(xiàn)IFO可能處于滿或空兩種狀態(tài)，必須區(qū)分FIFO是處于空狀態(tài)還是滿狀態(tài)。傳統(tǒng)的做法是把讀、寫地址寄存器擴展一位，最高位設為狀態(tài)位，其余低位作為地址位。當讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合時，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)；當讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反時， FIFO處于滿狀態(tài)。傳統(tǒng)的異步FIFO工作頻率低、面積大。下面將介紹一種產(chǎn)生空/滿標志的新方法。