1,、異步FIFO介紹

在現(xiàn)代的集成電路芯片中,隨著設(shè)計(jì)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,一個(gè)系統(tǒng)中往往含有數(shù)個(gè)時(shí)鐘,。多時(shí)鐘域帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題就是,如何設(shè)計(jì)異步時(shí)鐘之間的接口電路,。異 步 FIFO（First In First Out）是解決這個(gè)問(wèn)題一種簡(jiǎn)便、快捷的解決方案,。使用異步FIFO可以在兩個(gè)不同時(shí)鐘系統(tǒng)之間快速而方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),。在網(wǎng)絡(luò)接口、圖像處理等方面, 異步FIFO得到了廣泛的應(yīng)用,。

異步FIFO是一種先進(jìn)先出的電路,使用在需要產(chǎn)時(shí)數(shù)據(jù)接口的部分,用來(lái)存儲(chǔ),、緩沖在兩個(gè)異步時(shí)鐘之間的數(shù)據(jù)傳輸。在異步電路中,由于時(shí)鐘之間周期 和相位完全獨(dú)立,因而數(shù)據(jù)的丟失概率不為零,。如何設(shè)計(jì)一個(gè)高可靠性,、高速的異步FIFO電路便成為一個(gè)難點(diǎn)。本文介紹解決這一問(wèn)題的一種方法,。

由圖1可以看出：整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)完全獨(dú)立的時(shí)鐘域——讀時(shí)鐘域和寫(xiě)時(shí)間域;FIFO的存儲(chǔ)介質(zhì)為一塊雙端口RAM,可以同時(shí)進(jìn)行讀寫(xiě)操作,。在寫(xiě)時(shí) 鐘域部分,由寫(xiě)地址產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生寫(xiě)控制信號(hào)和寫(xiě)地址;讀時(shí)鐘部分由讀地址產(chǎn)生邏輯產(chǎn)生讀控制信號(hào)和讀地址。在空/滿(mǎn)標(biāo)志產(chǎn)生部分,由讀寫(xiě)地址相互比較產(chǎn)生 空/滿(mǎn)標(biāo)志,。

2,、異步FIFO的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

設(shè)計(jì)異步FIFO有兩個(gè)難點(diǎn)：一是如何同步異步信號(hào),使觸發(fā)器不產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài);二是如何正確地設(shè)計(jì)空、滿(mǎn)以及幾乎滿(mǎn)等信號(hào)的控制電路,。

下面闡述解決問(wèn)題的具體方法,。

2.1 亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題的解決

在數(shù)字集成電路中,觸發(fā)器要滿(mǎn)足setup/hold的時(shí)間要求,。當(dāng)一個(gè)信號(hào)被寄存器鎖存時(shí),如果信號(hào)和時(shí)鐘之間不滿(mǎn)足這個(gè)要求,Q端的值是不確定 的,并且在未知的時(shí)刻會(huì)固定到高電平或低電平。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)（Metastability）,。圖2所示為異步時(shí)鐘和亞穩(wěn)態(tài),圖中clka和clkb 為異步時(shí)鐘,。

亞穩(wěn)態(tài)必定會(huì)發(fā)生在異步FIFO中。圖中在異步FIFO中,電路外部的輸入和內(nèi)部的時(shí)鐘之間是毫無(wú)時(shí)間關(guān)系的,因此setup/hold沖突是必然的;同在電路內(nèi)部的兩個(gè)沒(méi)有關(guān)系的時(shí)鐘域之間的信號(hào)傳遞,也必須會(huì)導(dǎo)致setup/hold沖突,。

雖然亞穩(wěn)態(tài)是不可避免的,但是,下面的設(shè)計(jì)改進(jìn)可以將其發(fā)生的概率降低到一個(gè)可以接受的程度,。

①對(duì)寫(xiě)地址/讀地址采用格雷碼。由實(shí)踐可知,同步多個(gè)異步輸入信號(hào)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步一個(gè)異步信號(hào)的概率,。對(duì)多個(gè)觸發(fā)器的輸出所組成的寫(xiě)地址/讀地址可以采用格雷碼,。由于格雷碼每次只變化一位,采用格雷碼可以有效地減少亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。

②采用觸發(fā)器來(lái)同步異步輸入信號(hào),如圖3中的兩極觸發(fā)器可以將出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的幾率降低到一個(gè)很小的程度,。但是,正如圖3所示,這種方法同時(shí)帶來(lái)了對(duì)輸入信號(hào)的一級(jí)延時(shí),需要在設(shè)計(jì)時(shí)鐘的時(shí)候加以注意,。

2.2 空/滿(mǎn)標(biāo)志的產(chǎn)生

空/滿(mǎn)標(biāo)志的產(chǎn)生FIFO的核心部分。如何正確設(shè)計(jì)此部分的邏輯,直接影響到FIFO的性能,。

空/ 滿(mǎn)標(biāo)志產(chǎn)生的原則是：寫(xiě)滿(mǎn)不溢出,讀空不多讀,。即無(wú)論在什么進(jìn)修,都不應(yīng)出現(xiàn)讀寫(xiě)地址同時(shí)對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)器地址操作的情況。在讀寫(xiě)地址相等或相差一個(gè)或多個(gè)地 址的時(shí)候,滿(mǎn)標(biāo)志應(yīng)該有效,表示此時(shí)FIFO已滿(mǎn),外部電路應(yīng)對(duì)FIFO發(fā)數(shù)據(jù),。在滿(mǎn)信號(hào)有效時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù),應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求,或保持,、或拋棄重發(fā)。同理,空 標(biāo)志的產(chǎn)生也是如此,即：

空標(biāo)志<=(|寫(xiě)地址-讀地址|<=預(yù)定值)AND（寫(xiě)地址超前讀地址）

滿(mǎn)標(biāo)志<=（|寫(xiě)地址-讀地址|<=預(yù)定值）AND(讀地址超前寫(xiě)地址)

最直接的做法是,采用讀寫(xiě)地址相比較來(lái)產(chǎn)生空滿(mǎn)標(biāo)志,。如圖4所示,當(dāng)讀寫(xiě)地址的差值等于一個(gè)預(yù)設(shè)值的時(shí)候,空/滿(mǎn)信號(hào)被置位,。這種實(shí)現(xiàn)方法邏輯簡(jiǎn) 單,但它是減法器形成的一個(gè)比較大的組合邏輯,因而限制了FIFO的速度。所以,一般只采用相等不相等的比較邏輯,避免使用減法器,。

圖5 是另外一種常用的設(shè)計(jì),比較器只對(duì)讀寫(xiě)地址比較是否相等,。在讀寫(xiě)地址相等的時(shí)候有兩種情況：滿(mǎn)或者空。所以,附加了一個(gè)并行的區(qū)間判斷邏輯來(lái)指示是空還是 滿(mǎn),。這個(gè)區(qū)間判斷邏輯將整個(gè)地址空間分為幾個(gè)部分,以指示讀寫(xiě)地址的相對(duì)位置,。這種做法提高了整個(gè)電路的速度,但是也有其缺點(diǎn)。主要是直接采用讀寫(xiě)地址等 于不等于的比較邏輯來(lái)進(jìn)行空/滿(mǎn)標(biāo)志的判斷,可以帶來(lái)誤判,。

3,、新穎的FIF0空/滿(mǎn)標(biāo)志控制邏輯

3.1 對(duì)讀寫(xiě)地址的分析

由以上對(duì)FIFO的分析可以看出,由地址直接相減和將地址相互比較產(chǎn)生空/滿(mǎn)標(biāo)志都不可取。如何簡(jiǎn)單地進(jìn)行直接比較,又不提高邏輯的復(fù)雜程度呢,？對(duì) 地址加延時(shí)可以做到這一點(diǎn),。設(shè)讀地址為Rd_bin_addr,用讀地址Rd_addr產(chǎn)生讀地址的格雷碼Rd_next_gray_addr,將 Rd_next_gray_addr延一拍得到Rd_gray_addr,再將Rd_gray_addr延一拍得到Rd_last_gray_addr。 在絕對(duì)時(shí)間上,Rd_next_gray_addr,、Rd_gray_addr,、Rd_last_gray_addr這些地址先后關(guān)系,從大到小排列,并 且相差一個(gè)地址,如圖6所示。
 
圖6 經(jīng)過(guò)延時(shí)后格雷碼之間的關(guān)系

寫(xiě)地址的格雷碼的產(chǎn)生也與此類(lèi)似,即：Wt_next_gray_addr、Wt_gray_addr,、Wt_last_gray_addr。利用這6個(gè)格雷碼進(jìn)行比較,同時(shí)加上讀寫(xiě)使能,就能方便而靈活地產(chǎn)生空/滿(mǎn)標(biāo)志,。

以空標(biāo)志Empty的產(chǎn)生為例,當(dāng)讀寫(xiě)格雷碼地址相等或者FIFO內(nèi)還剩下一個(gè)深度的字,并且正在不空的情況下執(zhí)行讀操作,這時(shí)Emptr標(biāo)志應(yīng)該置為有效（高電平有效）,。

即EMPTY<=(Rd_gray_addr=Wt_gray_addr)and(Read_enable=1)或EMPTY<=(Rd_next_gray_addr=Wt_gray_addr)and(Read_enable=1)

同理可類(lèi)推滿(mǎn)標(biāo)志的產(chǎn)生邏輯。

3.2 基于延時(shí)格雷碼的FIFO標(biāo)志產(chǎn)生邏輯

 
圖 7 是使用上述思想設(shè)計(jì)的地址產(chǎn)生和標(biāo)志產(chǎn)生的邏輯,。首先,在地址產(chǎn)生部分,將產(chǎn)生的格雷碼地址加一級(jí)延時(shí),利用其前一級(jí)地址與當(dāng)前的讀地址作比較,。其次,在 空/滿(mǎn)標(biāo)志有效的時(shí)候,采用了內(nèi)部保護(hù)機(jī)制,不使讀/寫(xiě)地址進(jìn)一步增加而出現(xiàn)讀寫(xiě)地址共同對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元操作的現(xiàn)象。

3.3 仿真信號(hào)波形

利用圖7電路設(shè)計(jì)的思想構(gòu)造了一個(gè)256×8的FIFO,用MODELSIM進(jìn)行仿真,。圖8為系統(tǒng)中主要信號(hào)對(duì)讀空情況的仿真波形,。

圖8 讀空情況的仿真波形圖
圖8 中,WDATA為寫(xiě)數(shù)據(jù),RDATA為讀數(shù)據(jù),WCLK為寫(xiě)時(shí)鐘,RCLK為讀時(shí)鐘,REMPTY為空信號(hào),AEMPTY的幾乎空信號(hào),RPTR為讀地址 WPTR為寫(xiě)地址,RGNEXT為下一位讀地址格雷碼,RBIN讀地址二進(jìn)制,RBNEXT為下一位讀地址的二進(jìn)制碼。

由圖8可以看出,由于讀時(shí)鐘高于寫(xiě)時(shí)鐘,讀地址逐漸趕上寫(xiě)地址,其中由AEMPTY信號(hào)指示讀地址和寫(xiě)地址的接近程度,。當(dāng)這個(gè)信號(hào)足夠長(zhǎng)而被觸發(fā)器捕捉到時(shí),真正的空信號(hào)REMPTY有效,。

4、電路優(yōu)點(diǎn)的分析
由圖7可見(jiàn),該電路最大的瓶頸為二進(jìn)制到格雷碼和比較器的延時(shí)之和,。由于這兩個(gè)組合邏輯的延時(shí)都很小,因此該電路的速度很高,。經(jīng)測(cè)試,在Xilinx的FPGA中,時(shí)鐘頻率可達(dá)140MHz。另外,由于將異步的滿(mǎn)信號(hào)加了一級(jí)鎖存,從而輸出了可靠而穩(wěn)定的標(biāo)志,。 

5,、總結(jié)
在實(shí)際工作中,分別用圖4、圖5與圖7中所示的邏輯實(shí)現(xiàn)了一個(gè)256×8的FIFO,。綜合工具為SYNPLIFY7.0,由Foundation Series 3.3i布局布線后燒入Xilinx公司的WirtexEV100ECS144,。三者的性能指標(biāo)比較見(jiàn)表1。

表1 三種不同設(shè)計(jì)的比較

由表1可知,圖7所示的異步FIFO的電路速度高,面積小,從而降低了功耗,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性,。