异步FIFO设计

    摘要：本文介绍如何应用美国QUICKLOGIC公司的QUICKRAM器件设计高速、高可靠异步FIFO（Asynchronous FIFO）。

    关键词：异步FIFO

    异步FIFO广泛地用于计算机网络工业中进行非同步数据传送，这里的非同步指按一种速率发送而按另一速率接收。因此异步FIFO有两个不同的时钟，一个为读同步时钟，一个为写同步时钟。

    当数据从一个时钟驱动的模块进入另一个时钟驱动的模块时，一个需仔细解决的问题就出现了。例如当写时钟比读时钟快时，未读走数据有可能被新数据覆盖，因而导致数据丢失。为了解决这个问题，就必须增加一些控制信号和状态信号，控制信号如pusb、pop，状态信号如empty,almostempty,full,almost-full。

功能描述

    典型的异步FIFO（AsynFIFO）都是由异步双端口RAM和控制逻辑构成，控制逻辑包含读指针和写指针。

    当FIFO中有数据而非空时，POP信号（同步于读时钟）用于控制数据的读出，所读数据来自读指针所指的（AUAL PORT RAM）中的存储单元，并且读指针加一。当读指针赶上写指针时，FIFO为空并且用empty信号（同步于读时钟）来指示这种情况。

    当FIFO中有空间而非满时，PUSH信号（同步于写时钟）用于控制数据的写入，所写数据写入写指针所指的双端口RAM中的存储单元，并且写指针加一。当写指针赶上读指针时，FIFO为满足并且用full信号（同步于写时钟）来指示这种情况。

    当FIFO中只剩不足三个数据时，almost-empty有效（同步于读时钟）。类似地，当FIFO中还有不足四个空位时almost-full将有效（同步于写时钟）。用户可根据需要修改读、写侧的计数器初始值，从而确定所需要的almost-empty和almost-full提前量。例如当计数器初始化为7时，almost-empty和almost-full将分别比empty和full提前7个位置。读侧和写侧的状态机将根据内部比较器的输出来确定这些状态信号。每侧的状态机都有两上D触发器，构成双同步，这样的设计可大幅度提高系统的可靠性，使得平均元故障时间（MTBF）可大于100年。

结构

    图1为AsynFIFO的顶层设计框图（Quicklogic免费提供全部设计文件），并给出了各相模块的设计文件名。图中各模块可根据要求修改，以增加FIFO的宽度和深度。请注意，本文图中没有给出读侧和写侧的状态机。

RAM块

    图1中用了一个64×32的RAM块。该RAM块由Verilog代码定义，该代码由SpDE内的RAM/ROM/FIFO向导自动产生。在向导中用户可自由指定所需的宽度和深度，向导自动产生所需的Verilog/VHDL代码和原理图中所需的symbol。

比较器

    参考设计中的比较器为5位，采用纯原理图方法输入。当用户修改了RAM块的深度时，比较器的宽度也要与之对应。例如当FIFO深度为256时，地址须为8位，因而是比较器也应为8位。

格雷码计数器

    为了提高MTFB，设计中采用了格雷码计数器，该计数器为5位，采用Verilog/VHDL语言实现。它们可以被改成6位、7位、8位、9位，以对应深度为64、128、256、512的FIFO。

锁存器

    图中的锁存器为verilog/VHDL语言所写，读侧有三个，写侧有一个，用户可自由地修改其宽度。它们用于状态、控制信号的产生。

性能

    RARTS：QuickRAM family

    AREA：48 buffer cells

    Speed：write colck(WCLK)=136MHz,read clock(RCLK)=129MHz

结论

    采用QuickRAM器件实现异步FIFO方便灵活，并且速度快，成本低，还可以实现非常规深度和宽度的专用FIFO。