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(wǎng)絡(luò )工業(yè)中進(jìn)行非同步數據傳送，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(gè)不同的時(shí)鐘，一個(gè)為讀同步時(shí)鐘，一個(gè)為寫(xiě)同步時(shí)鐘。

當數據從一個(gè)時(shí)鐘驅動(dòng)的模塊進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘驅動(dòng)的模塊時(shí)，一個(gè)需仔細解決的問(wèn)題就出現了。例如當寫(xiě)時(shí)鐘比讀時(shí)鐘快時(shí)，未讀走數據有可能被新數據覆蓋，因而導致數據丟失。為了解決這個(gè)問(wèn)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(xiě)指針。

當FIFO中有數據而非空時(shí)，POP信號（同步于讀時(shí)鐘）用于控制數據的讀出，所讀數據來(lái)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(xiě)指針時(shí)，FIFO為空并且用empty信號（同步于讀時(shí)鐘）來(lái)指示這種情況。

當FIFO中有空間而非滿(mǎn)時(shí)，PUSH信號（同步于寫(xiě)時(shí)鐘）用于控制數據的寫(xiě)入，所寫(xiě)數據寫(xiě)入寫(xiě)指針所指的雙端口RAM中的存儲單元，并且寫(xiě)指針加一。當寫(xiě)指針趕上讀指針時(shí)，FIFO為滿(mǎn)足并且用full信號（同步于寫(xiě)時(shí)鐘）來(lái)指示這種情況。

當FIFO中只剩不足三個(gè)數據時(shí)，almost-empty有效（同步于讀時(shí)鐘）。類(lèi)似地，當FIFO中還有不足四個(gè)空位時(shí)almost-full將有效（同步于寫(xiě)時(shí)鐘）。用戶(hù)可根據需要修改讀、寫(xiě)側的計數器初始值，從而確定所需要的almost-empty和almost-full提前量。例如當計數器初始化為7時(shí)，almost-empty和almost-full將分別比empty和full提前7個(gè)位置。讀側和寫(xiě)側的狀態(tài)機將根據內部比較器的輸出來(lái)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的可靠性，使得平均元故障時(shí)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。圖中各模塊可根據要求修改，以增加FIFO的寬度和深度。請注意，本文圖中沒(méi)有給出讀側和寫(xiě)側的狀態(tài)機。

RAM塊

圖1中用了一個(gè)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(dòng)產(chǎn)生。在向導中用戶(hù)可自由指定所需的寬度和深度，向導自動(dòng)產(chǎn)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(hù)修改了RAM塊的深度時(shí)，比較器的寬度也要與之對應。例如當FIFO深度為256時(shí)，地址須為8位，因而是比較器也應為8位。

格雷碼計數器

為了提高M(jìn)TFB，設計中采用了格雷碼計數器，該計數器為5位，采用Verilog/VHDL語(yǔ)言實(shí)現。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(yǔ)言所寫(xiě)，讀側有三個(gè)，寫(xiě)側有一個(gè)，用戶(hù)可自由地修改其寬度。它們用于狀態(tài)、控制信號的產(chǎn)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(shí)現異步FIFO方便靈活，并且速度快，成本低，還可以實(shí)現非常規深度和寬度的專(zhuān)用FIFO。