FIFO原理講解

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1、異步FIFO結(jié)構(gòu)（第一部分）作者：VijayA.Nebhrajani翻譯：AdamLuo2006年7月設(shè)計(jì)一個(gè)FIFO是ASIC設(shè)計(jì)者遇到的最普遍的問(wèn)題之一。本文著重介紹怎樣設(shè)計(jì)FIFO——這是一個(gè)看似簡(jiǎn)單卻很復(fù)雜的任務(wù)。一開(kāi)始，要注意，F(xiàn)IFO通常用于時(shí)鐘域的過(guò)渡，是雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，設(shè)計(jì)工程要處理（workoff）兩個(gè)時(shí)鐘，因此在大多數(shù)情況下，F(xiàn)IFO工作于獨(dú)立的兩個(gè)時(shí)鐘之間。然而，我們不從這樣的結(jié)構(gòu)開(kāi)始介紹—我們將從工作在單時(shí)鐘的一個(gè)FIFO特例開(kāi)始。雖然工作在同一時(shí)鐘的FIFO在實(shí)際應(yīng)用中很少用到，但它為更多的復(fù)雜設(shè)計(jì)搭建一個(gè)平臺(tái)，這是非常有用的。然后再

2、從特例推廣到更為普通的FIFO，該系列文章包括以下內(nèi)容：1．單時(shí)鐘結(jié)構(gòu)2．雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)——雙鐘結(jié)構(gòu)13．雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)——雙鐘結(jié)構(gòu)24．雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)——雙鐘結(jié)構(gòu)35．脈沖模式FIFO單時(shí)鐘FIFO特例FIFO有很多種結(jié)構(gòu)，包括波浪型（ripple）FIFO，移位寄存器型以及其他一些我們并不關(guān)心的結(jié)構(gòu)類型。我們將集中討論包含RAM存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)類型。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。通過(guò)分析，我們看到圖中有一個(gè)具有獨(dú)立的讀端口和獨(dú)立的寫(xiě)端口的RAM存儲(chǔ)器。這樣選擇是為了分析方便。如果是一個(gè)單端口的存儲(chǔ)器，還應(yīng)包含一個(gè)仲裁器保證同一時(shí)刻只能進(jìn)行一項(xiàng)操作（讀或?qū)懀覀冞x擇雙口RAM（無(wú)需真正的雙

3、口RAM，因?yàn)槲覀冎皇窍Ｍ幸粋€(gè)簡(jiǎn)單的相互獨(dú)立的讀寫(xiě)端口）是因?yàn)檫@些實(shí)例非常接近實(shí)際情況。讀、寫(xiě)端口擁有又兩個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的寬度為log2(array_size)的互相獨(dú)立的讀、寫(xiě)地址。數(shù)據(jù)寬度是一個(gè)非常重要的參數(shù)將在在稍后的結(jié)構(gòu)選擇時(shí)予以介紹，而現(xiàn)在我們不必過(guò)分的關(guān)心它。為了一致，我們稱這些計(jì)數(shù)器為“讀指針”（readpointer）和“寫(xiě)指針”（writepointer）。寫(xiě)指針指向下一個(gè)將要寫(xiě)入的位置，讀指針指向下一個(gè)將要讀取的位置。每次寫(xiě)操作使寫(xiě)指針加1，讀操作使讀指針加1。我們看到最下面的模塊為“狀態(tài)”(stauts)模塊。這個(gè)模塊的任務(wù)實(shí)給FIFO提供“空

4、”（empty）和“滿”（full）信號(hào)。這些信號(hào)告訴外部電路FIFO已經(jīng)達(dá)到了臨界條件：如果出現(xiàn)“滿”信號(hào)，那么FIFO為寫(xiě)操作的臨界狀態(tài)，如果出現(xiàn)“空”信號(hào)，則FIFO為讀操作的臨界狀態(tài)。寫(xiě)操作的臨界狀態(tài)（“fullisactive”）表示FIFO已經(jīng)沒(méi)有空間來(lái)存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，讀操作的臨界表示FIFO沒(méi)有更多的數(shù)據(jù)可以讀出。status模塊還可告訴FIFO中“滿”或“空”位置的數(shù)值。這是由指針的算術(shù)運(yùn)算來(lái)完成了。實(shí)際的“滿”或“空”位置計(jì)算并不是為FIFO自身提供的。它是作為一個(gè)報(bào)告機(jī)構(gòu)給外部電路用的。但是，“滿”和“空”信號(hào)在FIFO中卻扮演著非常重要的角色，

5、它為了能實(shí)現(xiàn)讀與寫(xiě)操作各自的獨(dú)立運(yùn)行而阻塞性的管理數(shù)據(jù)的存取。這種阻塞性管理的重要性不是將數(shù)據(jù)復(fù)寫(xiě)（或重讀），而是指針位置可以控制整個(gè)FIFO，并且使讀、寫(xiě)操作改變著指針數(shù)值。如果我們不阻止指針在臨界狀態(tài)下改變狀態(tài)，F(xiàn)IFO還能都一邊“吃”著數(shù)據(jù)一邊“產(chǎn)生”數(shù)據(jù)，這簡(jiǎn)直是不可能的。進(jìn)一步分析：DPRAM若能夠寄存讀出的信號(hào)，這意味著存儲(chǔ)器的輸出數(shù)據(jù)已被寄存。如果這樣的話，讀指針將不得不設(shè)計(jì)成“read并加1”，也就是說(shuō)在FIFO輸出數(shù)據(jù)有效之前，必須提供一個(gè)明確的讀信號(hào)。另一方面，如果DPRAM沒(méi)有寄存輸出，一旦寫(xiě)入有效數(shù)據(jù)就可以讀出；先讀數(shù)據(jù)，然后使指針加1。這將

6、影響到從FIFO讀出數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)空/滿計(jì)算的邏輯。由于簡(jiǎn)化的緣故，我們僅論述DPRAM沒(méi)有提供索鎖存輸出的情況。同理，將其推廣到寄存輸出的DPRAM并不是很復(fù)雜。從功能上看，F(xiàn)IFO工作原理如下所述：復(fù)位時(shí)，讀、寫(xiě)指針均為0。這是FIFO的空狀態(tài)，空標(biāo)志為高電平，（我們用高電平表示空標(biāo)志）此時(shí)滿標(biāo)志為低電平。當(dāng)FIFO出現(xiàn)空標(biāo)志時(shí)，不允許讀操作，只能允許寫(xiě)操作。寫(xiě)操作寫(xiě)入到位置0，并使寫(xiě)指針加1。此時(shí)，空標(biāo)志變?yōu)榈碗娖?。假設(shè)沒(méi)有發(fā)生讀操作而且隨后的一段時(shí)間FIFO中只有寫(xiě)操作。一定時(shí)間后，寫(xiě)指針的值等于array_size-1。這就意味著在存儲(chǔ)器中，要寫(xiě)入數(shù)據(jù)的最后一

7、個(gè)位置就是下一個(gè)位置。在這種情況下，寫(xiě)操作將寫(xiě)指針變?yōu)?，并將輸出滿標(biāo)志。注意，在這種情況下，寫(xiě)指針和讀指針是相等的，但是FIFO已滿，而不是空。這意味著“滿”或“空”的決定并不是僅僅基于指針的值，而是基于引起指針值相等的操作。如果指針值相等的原因是復(fù)位或者讀操作，F(xiàn)IFO認(rèn)為是空；如果原因是寫(xiě)操作，那么FIFO認(rèn)為是滿?，F(xiàn)在，假設(shè)我們開(kāi)始一系列的讀操作，每次讀操作都將增加讀指針的值，直到讀指針的位置等于array_size-1。在該點(diǎn)，從這個(gè)位置讀出的FIFO輸出總線上的數(shù)據(jù)是有效的。隨后的邏輯讀取這些數(shù)據(jù)并提供一個(gè)讀信號(hào)（在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)有效）。這將導(dǎo)致讀指