一種讀寫(xiě)深度可配置的異步FIFO設(shè)計(jì)

引言
    隨著設(shè)計(jì)復(fù)雜度的不斷提高，現(xiàn)代電子信息設(shè)計(jì)中，單一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)與應(yīng)用的需求。基于多時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)越來(lái)越普遍，在異步時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中，跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸是必須考慮的一個(gè)問(wèn)題?？刂菩盘?hào)一般使用握手協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)異步傳輸，對(duì)于異步時(shí)鐘域大數(shù)據(jù)量的傳輸則經(jīng)常使用異步FIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)。
    基于FIFO進(jìn)行跨時(shí)鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w設(shè)計(jì)，主要借助于FIFO的空／滿狀態(tài)信號(hào)來(lái)控制對(duì)FIFO的讀寫(xiě)操作。在部分使用處理器檢測(cè)空／滿狀態(tài)標(biāo)志的設(shè)計(jì)中，當(dāng)FIFO已經(jīng)空或滿時(shí)，處理器會(huì)出現(xiàn)來(lái)不及響應(yīng)的情況，從而造成數(shù)據(jù)的溢出或者數(shù)據(jù)流的斷流現(xiàn)象。這無(wú)法滿足一些設(shè)計(jì)的嚴(yán)格要求，所以就有了半空／半滿標(biāo)志的使用。但針對(duì)一些大容量的FIFO，簡(jiǎn)單使用半空／半滿標(biāo)志進(jìn)行FIFO的讀寫(xiě)控制時(shí)，因?yàn)榫唧w應(yīng)用的不同，會(huì)有部分FIFO的存儲(chǔ)資源沒(méi)有使用，造成硬件資源的浪費(fèi)。
    針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文提出一種讀寫(xiě)深度可配置的FIFO設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)寄存器的配置，來(lái)設(shè)定產(chǎn)生有效FIFO讀寫(xiě)控制信號(hào)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(shè)計(jì)滿足于不同的具體應(yīng)用。

1 異步FIFO的工作原理簡(jiǎn)述
    通用異步FIFO的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖中可以看出，異步FIFO由4部分組成：存儲(chǔ)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(dú)立的時(shí)鐘域模塊。

    FIFO的空／滿狀態(tài)的判斷是FIFO設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵部分，主要通過(guò)對(duì)讀／寫(xiě)地址的比較來(lái)實(shí)現(xiàn)。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(zhuǎn)換為格雷碼的編碼方式，傳輸?shù)疆惒綍r(shí)鐘域再進(jìn)行比較，以使亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生處于可以接受的范圍之內(nèi)。對(duì)于FIFO的讀寫(xiě)，當(dāng)FIFO的滿狀態(tài)信號(hào)有效時(shí)，禁止寫(xiě)操作；當(dāng)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(shè)計(jì)
    本文所提出的深度可配置異步FIFO的設(shè)計(jì)，在通用異步FIFO的基礎(chǔ)上，增加半空／半滿狀態(tài)標(biāo)志的產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)寄存器的配置，可動(dòng)態(tài)調(diào)整所增加狀態(tài)標(biāo)志的產(chǎn)生條件，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(shù)據(jù)，rdata為讀出數(shù)據(jù)；wrst_n為寫(xiě)時(shí)鐘復(fù)位信號(hào)，rrst_n為讀時(shí)鐘復(fù)位信號(hào)；wr_en為寫(xiě)使能信號(hào)，rd_en為讀使能信號(hào)；welk為寫(xiě)時(shí)鐘，rclk為讀時(shí)鐘；full為輸出滿狀態(tài)信號(hào)，empty為輸出空狀態(tài)信號(hào)；hempty為半空信號(hào)，hfull為半滿信號(hào)；具體半空半滿信號(hào)的產(chǎn)生可由rd_depth_reg與wr_depth_reg控制。
    在采用此FIFO的設(shè)計(jì)中，full與empty信號(hào)分別用于控制寫(xiě)操作與讀操作。當(dāng)full有效時(shí)，禁止寫(xiě)操作。同樣，當(dāng)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(shù)據(jù)路徑中，為了防止讀數(shù)據(jù)流的間斷，在半空狀態(tài)時(shí)就會(huì)開(kāi)始寫(xiě)操作；在半滿狀態(tài)時(shí)就開(kāi)始讀操作，防止寫(xiě)滿后禁止寫(xiě)操作再進(jìn)行讀取造成數(shù)據(jù)的丟失。
     在FIFO的邏輯設(shè)計(jì)中，空／滿及半空／半滿狀態(tài)標(biāo)志的產(chǎn)生都是由讀／寫(xiě)地址的指針來(lái)判斷的。對(duì)于空狀態(tài)主要有兩種情況：復(fù)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(yīng)該為滿狀態(tài)。所以，單獨(dú)的從讀／寫(xiě)指針是否相等不能判斷是空狀態(tài)還是滿狀態(tài)。
    一種區(qū)分空和滿狀態(tài)的設(shè)計(jì)方法是，對(duì)兩個(gè)指針各增加一個(gè)冗余位。當(dāng)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(fù)位其他位，F(xiàn)IFO的空滿條件如圖3所示(FIFO轉(zhuǎn)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，則意味著寫(xiě)指針比讀指針多轉(zhuǎn)了一圈。如果兩個(gè)指針的最高位是相同的，則意味著兩個(gè)指針轉(zhuǎn)過(guò)了同樣的圈數(shù)。n位的指針中，用n-1位來(lái)指向整個(gè)FIFO的內(nèi)存緩沖區(qū)。當(dāng)兩個(gè)指針包括最高位在內(nèi)的所有位都相等時(shí)，F(xiàn)IFO為空。當(dāng)兩個(gè)指針除了最高位外，其他位都相等時(shí)，F(xiàn)IFO為滿。

    半空／半滿狀態(tài)信號(hào)的產(chǎn)生與空／滿狀態(tài)類(lèi)似，根據(jù)對(duì)讀寫(xiě)指針除去冗余位差值的比較，來(lái)判斷半空半滿狀態(tài)。當(dāng)冗余位相同時(shí)，半滿信號(hào)為寫(xiě)指針減去讀指針大于FIFO物理深度的一半，半空信號(hào)則為差值小于FIFO物理深度的一半。當(dāng)冗余位不同時(shí)，半滿信號(hào)為讀指針減去寫(xiě)指針小于FIFO物理深度一半，半空信號(hào)為差值大于FIFO物理深度的一半。
    在部分實(shí)際應(yīng)用中，若嚴(yán)格按照半空／半滿條件，雖然保證了數(shù)據(jù)的不丟失，但數(shù)據(jù)突發(fā)傳輸?shù)纳疃葍H為FIFO物理深度的一半，從而造成了對(duì)硬件邏輯資源的浪費(fèi)。因此，對(duì)于半空／半滿狀態(tài)標(biāo)志的判斷，臨界值采用寄存器配置的方式保證數(shù)據(jù)的不丟失，同時(shí)又盡可能地利用現(xiàn)有FIFO的存儲(chǔ)資源，提高數(shù)據(jù)吞吐率。

結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)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(shè)計(jì)方法。這種深度可配置的異步FIFO的設(shè)計(jì)方法，對(duì)于含有DMA外設(shè)的電路及在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，可進(jìn)行高效可靠的數(shù)據(jù)讀取操作，同時(shí)可提高硬件資源的利用率。