一種讀寫(xiě)深度可配置的異步FIFO設計

引言
隨著(zhù)設計復雜度的不斷提高，現代電子信息設計中，單一時(shí)鐘驅動(dòng)已無(wú)法滿(mǎn)足設計與應用的需求?；诙鄷r(shí)鐘驅動(dòng)的設計已經(jīng)越來(lái)越普遍，在異步時(shí)鐘域的設計中，跨時(shí)鐘域數據信號傳輸是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題?？刂?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/信號">信號一般使用握手協(xié)議來(lái)實(shí)現異步傳輸，對于異步時(shí)鐘域大數據量的傳輸則經(jīng)常使用異步FIFO來(lái)實(shí)現。
基于FIFO進(jìn)行跨時(shí)鐘域數據傳輸的具體設計，主要借助于FIFO的空／滿(mǎn)狀態(tài)信號來(lái)控制對FIFO的讀寫(xiě)操作。在部分使用處理器檢測空／滿(mǎn)狀態(tài)標志的設計中，當FIFO已經(jīng)空或滿(mǎn)時(shí)，處理器會(huì )出現來(lái)不及響應的情況，從而造成數據的溢出或者數據流的斷流現象。這無(wú)法滿(mǎn)足一些設計的嚴格要求，所以就有了半空／半滿(mǎn)標志的使用。但針對一些大容量的FIFO，簡(jiǎn)單使用半空／半滿(mǎn)標志進(jìn)行FIFO的讀寫(xiě)控制時(shí)，因為具體應用的不同，會(huì )有部分FIFO的存儲資源沒(méi)有使用，造成硬件資源的浪費。
針對這一現狀，本文提出一種讀寫(xiě)深度可配置的FIFO設計。通過(guò)對寄存器的配置，來(lái)設定產(chǎn)生有效FIFO讀寫(xiě)控制信號時(shí)FIFO的深度。在提高硬件資源利用率的同時(shí)，還可以通過(guò)寄存器的配置，使設計滿(mǎn)足于不同的具體應用。

1 異步FIFO的工作原理簡(jiǎn)述
通用異步FIFO的原理結構圖如圖1所示。由圖中可以看出，異步FIFO由4部分組成：存儲器模塊、寫(xiě)地址邏輯模塊、讀地址邏輯模塊、同步模塊。其中，寫(xiě)地址邏輯模塊和讀地址邏輯模塊是兩個(gè)相互獨立的時(shí)鐘域模塊。

FIFO的空／滿(mǎn)狀態(tài)的判斷是FIFO設計中的一個(gè)關(guān)鍵部分，主要通過(guò)對讀／寫(xiě)地址的比較來(lái)實(shí)現。鑒于讀／寫(xiě)地址的控制邏輯分別工作在各自的時(shí)鐘域下，進(jìn)行比較時(shí)，通常將二進(jìn)制碼的地址轉換為格雷碼的編碼方式，傳輸到異步時(shí)鐘域再進(jìn)行比較，以使亞穩態(tài)的產(chǎn)生處于可以接受的范圍之內。對于FIFO的讀寫(xiě)，當FIFO的滿(mǎn)狀態(tài)信號有效時(shí)，禁止寫(xiě)操作；當FIFO的空狀態(tài)有效時(shí)，禁止讀操作。

2 深度可配置的異步FIFO設計
本文所提出的深度可配置異步FIFO的設計，在通用異步FIFO的基礎上，增加半空／半滿(mǎn)狀態(tài)標志的產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)寄存器的配置，可動(dòng)態(tài)調整所增加狀態(tài)標志的產(chǎn)生條件，從而實(shí)現應用中的深度可配置。其接口框圖如圖2所示。

各接口的說(shuō)明為：wdata為寫(xiě)入數據，rdata為讀出數據；wrst_n為寫(xiě)時(shí)鐘復位信號，rrst_n為讀時(shí)鐘復位信號；wr_en為寫(xiě)使能信號，rd_en為讀使能信號；welk為寫(xiě)時(shí)鐘，rclk為讀時(shí)鐘；full為輸出滿(mǎn)狀態(tài)信號，empty為輸出空狀態(tài)信號；hempty為半空信號，hfull為半滿(mǎn)信號；具體半空半滿(mǎn)信號的產(chǎn)生可由rd_depth_reg與wr_depth_reg控制。
在采用此FIFO的設計中，full與empty信號分別用于控制寫(xiě)操作與讀操作。當full有效時(shí)，禁止寫(xiě)操作。同樣，當empty有效時(shí)，禁止讀操作，從而避免寫(xiě)覆蓋與讀空的發(fā)生。但是在數據路徑中，為了防止讀數據流的間斷，在半空狀態(tài)時(shí)就會(huì )開(kāi)始寫(xiě)操作；在半滿(mǎn)狀態(tài)時(shí)就開(kāi)始讀操作，防止寫(xiě)滿(mǎn)后禁止寫(xiě)操作再進(jìn)行讀取造成數據的丟失。
在FIFO的邏輯設計中，空／滿(mǎn)及半空／半滿(mǎn)狀態(tài)標志的產(chǎn)生都是由讀／寫(xiě)地址的指針來(lái)判斷的。對于空狀態(tài)主要有兩種情況：復位時(shí)讀／寫(xiě)指針相等或者讀指針趕上寫(xiě)指針狀態(tài)。但是，若寫(xiě)指針循環(huán)一次趕上讀指針時(shí)，此時(shí)讀／寫(xiě)指針相等應該為滿(mǎn)狀態(tài)。所以，單獨的從讀／寫(xiě)指針是否相等不能判斷是空狀態(tài)還是滿(mǎn)狀態(tài)。
一種區分空和滿(mǎn)狀態(tài)的設計方法是，對兩個(gè)指針各增加一個(gè)冗余位。當寫(xiě)指針增加到最后的FIFO地址時(shí)，寫(xiě)指針將增加沒(méi)有用到的最高位，同時(shí)復位其他位，FIFO的空滿(mǎn)條件如圖3所示(FIFO轉過(guò)一圈，并置位最高位)。讀指針也是同樣的情況。如果兩個(gè)指針的最高位是不同的，則意味著(zhù)寫(xiě)指針比讀指針多轉了一圈。如果兩個(gè)指針的最高位是相同的，則意味著(zhù)兩個(gè)指針轉過(guò)了同樣的圈數。n位的指針中，用n-1位來(lái)指向整個(gè)FIFO的內存緩沖區。當兩個(gè)指針包括最高位在內的所有位都相等時(shí)，FIFO為空。當兩個(gè)指針除了最高位外，其他位都相等時(shí)，FIFO為滿(mǎn)。

半空／半滿(mǎn)狀態(tài)信號的產(chǎn)生與空／滿(mǎn)狀態(tài)類(lèi)似，根據對讀寫(xiě)指針除去冗余位差值的比較，來(lái)判斷半空半滿(mǎn)狀態(tài)。當冗余位相同時(shí)，半滿(mǎn)信號為寫(xiě)指針減去讀指針大于FIFO物理深度的一半，半空信號則為差值小于FIFO物理深度的一半。當冗余位不同時(shí)，半滿(mǎn)信號為讀指針減去寫(xiě)指針小于FIFO物理深度一半，半空信號為差值大于FIFO物理深度的一半。
在部分實(shí)際應用中，若嚴格按照半空／半滿(mǎn)條件，雖然保證了數據的不丟失，但數據突發(fā)傳輸的深度僅為FIFO物理深度的一半，從而造成了對硬件邏輯資源的浪費。因此，對于半空／半滿(mǎn)狀態(tài)標志的判斷，臨界值采用寄存器配置的方式保證數據的不丟失，同時(shí)又盡可能地利用現有FIFO的存儲資源，提高數據吞吐率。

結語(yǔ)
本文對異步FIFO的工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)提出了一種深度可配置的異步FIFO的設計方法。這種深度可配置的異步FIFO的設計方法，對于含有DMA外設的電路及在高速數據傳輸系統中，可進(jìn)行高效可靠的數據讀取操作，同時(shí)可提高硬件資源的利用率。