一種讀寫深度可配置的異步FIFO設計

引言
    隨著設計復雜度的不斷提高，現(xiàn)代電子信息設計中，單一時鐘驅動已無法滿足設計與應用的需求?；诙鄷r鐘驅動的設計已經(jīng)越來越普遍，在異步時鐘域的設計中，跨時鐘域數(shù)據(jù)信號傳輸是必須考慮的一個問題。控制信號一般使用握手協(xié)議來實現(xiàn)異步傳輸，對于異步時鐘域大數(shù)據(jù)量的傳輸則經(jīng)常使用異步FIFO來實現(xiàn)。
    基于FIFO進行跨時鐘域數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w設計，主要借助于FIFO的空／滿狀態(tài)信號來控制對FIFO的讀寫操作。在部分使用處理器檢測空／滿狀態(tài)標志的設計中，當FIFO已經(jīng)空或滿時，處理器會出現(xiàn)來不及響應的情況，從而造成數(shù)據(jù)的溢出或者數(shù)據(jù)流的斷流現(xiàn)象。這無法滿足一些設計的嚴格要求，所以就有了半空／半滿標志的使用。但針對一些大容量的FIFO，簡單使用半空／半滿標志進行FIFO的讀寫控制時，因為具體應用的不同，會有部分FIFO的存儲資源沒有使用，造成硬件資源的浪費。
    針對這一現(xiàn)狀，本文提出一種讀寫深度可配置的FIFO設計。通過對寄存器的配置，來設定產(chǎn)生有效FIFO讀寫控制信號時FIFO的深度。在提高硬件資源利用率的同時，還可以通過寄存器的配置，使設計滿足于不同的具體應用。

1 異步FIFO的工作原理簡述
    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、寫地址邏輯模塊、讀地址邏輯模塊、同步模塊。其中，寫地址邏輯模塊和讀地址邏輯模塊是兩個相互獨立的時鐘域模塊。

    FIFO的空／滿狀態(tài)的判斷是FIFO設計中的一個關鍵部分，主要通過對讀／寫地址的比較來實現(xiàn)。鑒于讀／寫地址的控制邏輯分別工作在各自的時鐘域下，進行比較時，通常將二進制碼的地址轉換為格雷碼的編碼方式，傳輸?shù)疆惒綍r鐘域再進行比較，以使亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生處于可以接受的范圍之內。對于FIFO的讀寫，當FIFO的滿狀態(tài)信號有效時，禁止寫操作；當FIFO的空狀態(tài)有效時，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／半滿狀態(tài)標志的產(chǎn)生，同時通過寄存器的配置，可動態(tài)調整所增加狀態(tài)標志的產(chǎn)生條件，從而實現(xiàn)應用中的深度可配置。其接口框圖如圖2所示。

    各接口的說明為：wdata為寫入數(shù)據(jù)，rdata為讀出數(shù)據(jù)；wrst_n為寫時鐘復位信號，rrst_n為讀時鐘復位信號；wr_en為寫使能信號，rd_en為讀使能信號；welk為寫時鐘，rclk為讀時鐘；full為輸出滿狀態(tài)信號，empty為輸出空狀態(tài)信號；hempty為半空信號，hfull為半滿信號；具體半空半滿信號的產(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操作與讀操作。當full有效時，禁止寫操作。同樣，當empty有效時，禁止讀操作，從而避免寫覆蓋與讀空的發(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)時就會開始寫操作；在半滿狀態(tài)時就開始讀操作，防止寫滿后禁止寫操作再進行讀取造成數(shù)據(jù)的丟失。
     在FIFO的邏輯設計中，空／滿及半空／半滿狀態(tài)標志的產(chǎn)生都是由讀／寫地址的指針來判斷的。對于空狀態(tài)主要有兩種情況：復位時讀／寫指針相等或者讀指針趕上寫指針狀態(tài)。但是，若寫指針循環(huán)一次趕上讀指針時，此時讀／寫指針相等應該為滿狀態(tài)。所以，單獨的從讀／寫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)的設計方法是，對兩個指針各增加一個冗余位。當寫指針增加到最后的FIFO地址時，寫指針將增加沒有用到的最高位，同時復位其他位，F(xiàn)IFO的空滿條件如圖3所示(FIFO轉過一圈，并置位最高位)。讀指針也是同樣的情況。如果兩個指針的最高位是不同的，則意味著寫指針比讀指針多轉了一圈。如果兩個指針的最高位是相同的，則意味著兩個指針轉過了同樣的圈數(shù)。n位的指針中，用n-1位來指向整個FIFO的內存緩沖區(qū)。當兩個指針包括最高位在內的所有位都相等時，F(xiàn)IFO為空。當兩個指針除了最高位外，其他位都相等時，F(xiàn)IFO為滿。

    半空／半滿狀態(tài)信號的產(chǎn)生與空／滿狀態(tài)類似，根據(jù)對讀寫指針除去冗余位差值的比較，來判斷半空半滿狀態(tài)。當冗余位相同時，半滿信號為寫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，半滿信號為讀指針減去寫指針小于FIFO物理深度一半，半空信號為差值大于FIFO物理深度的一半。
    在部分實際應用中，若嚴格按照半空／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，從而造成了對硬件邏輯資源的浪費。因此，對于半空／半滿狀態(tài)標志的判斷，臨界值采用寄存器配置的方式保證數(shù)據(jù)的不丟失，同時又盡可能地利用現(xiàn)有FIFO的存儲資源，提高數(shù)據(jù)吞吐率。

結語
    本文對異步FIFO的工作原理進行了簡單介紹，同時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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，可進行高效可靠的數(shù)據(jù)讀取操作，同時可提高硬件資源的利用率。