最經(jīng)典的FIFO原理

1、僅供參考J/異步FIFO結(jié)構(gòu)（第一部分）作者：Vijay A.Nebh ani翻譯： Adam Luo2006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題之一。本文著重介紹怎 樣設(shè)計(jì)FIFO這是一個(gè)看似簡單卻很復(fù)雜的任務(wù)。一開始，要注意，F(xiàn)IFO通常用于時(shí)鐘域的過渡，是雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)。換句話說， 設(shè)計(jì)工程要處理（work off）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)開始介紹一我們將從工作在單時(shí)鐘 的一個(gè)FIFO特例開始。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。然后再從特

2、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)一一雙鐘結(jié)構(gòu)13. 雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)一一雙鐘結(jié)構(gòu)24. 雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)一一雙鐘結(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。Figure 1. A FIFO Arctiitectura通過分析，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

3、作（讀或?qū)懀?，我們選擇雙口 RAM （無需真正的雙口 RAM，因?yàn)槲覀冎皇窍Ｍ幸粋€(gè)簡單的相互獨(dú)立的讀寫端口）是因 為這些實(shí)例非常接近實(shí)際情況。讀、寫端口擁有又兩個(gè)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的寬度為Iog2（array_size）的互相獨(dú)立的讀、 寫地址。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“寫指針”（write pointer）。寫指針指向下一個(gè)將要寫入的位置，讀指 針指向下一個(gè)將要讀取的位置。每次寫操作使寫指針加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。

4、這個(gè)模塊的任務(wù)實(shí)給FIFO 提供“空”（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)。寫操作的臨界狀態(tài)（“full is active”） 表示FIFO已經(jīng)沒有空間來存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，讀操作的臨界表示FIFO沒有更多 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

5、”信號(hào)在 FIFO 中卻扮演著非常 重要的角色，它為了能實(shí)現(xiàn)讀與寫操作各自的獨(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（或重讀） ，而是指針位置可以控 制整個(gè)FIFO，并且使讀、寫操作改變著指針數(shù)值。如果我們不阻止指針在臨界 狀態(tài)下改變狀態(tài)， FIFO 還能都一邊“吃”著數(shù)據(jù)一邊“產(chǎn)生”數(shù)據(jù)，這簡直是 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 沒有寄存輸

6、出，一旦寫入有效數(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。 由于簡化的緣故， 我們僅論 述 DPRAM 沒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， FIFO 工作原理如下所述：復(fù)位時(shí)，讀、寫指針均為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，只能允許寫操作。寫操作寫入到 位置 0，并使寫指針加 1。此時(shí)，空標(biāo)志變?yōu)榈碗娖?。假設(shè)沒有發(fā)生讀操作而且 隨后的一段時(shí)間 FIFO 中只有寫操作。 一

7、定時(shí)間后，寫指針的值等于 array_size-1。 這就意味著在存儲(chǔ)器中， 要寫入數(shù)據(jù)的最后一個(gè)位置就是下一個(gè)位置。 在這種情 況下，寫操作將寫指針變?yōu)?0，并將輸出滿標(biāo)志。注意，在這種情況下，寫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， FIFO 認(rèn)為是空； 如果原因是寫操作，那么 FIFO 認(rèn)為是滿。現(xiàn)在，假設(shè)我們開始一系列的讀操作， 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

8、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)致讀指針再次等于寫指針（在兩個(gè)指針走完存儲(chǔ)器一圈后） 。 然而，由于這次相等是由于一個(gè)讀操作，將會(huì)輸出空標(biāo)志。因此，我們將得到如下的空標(biāo)志：寫操作無條件的清除空標(biāo)志Read pointer=（array_size-1） ， 讀操作置空標(biāo)志。以及如下的滿標(biāo)志：讀操作無條件的清除滿標(biāo)志，Write pointer= （array_size-1）， 寫操作置滿標(biāo)志。然而，這是一個(gè)特殊的例子，由于一般情況下，讀操作在FIFO不是空的情 況下就開始了(讀操作邏輯不需要等待 FIFO 變滿)，因此這些條件不得不修

9、改 來存儲(chǔ)讀指針和寫指針的每一個(gè)值。有這樣一個(gè)想法， 那就是我們可以將存儲(chǔ)器組織成一個(gè)環(huán)形列表。 因此，如 果寫指針與讀指針差值大于 1 或更多，就進(jìn)行讀操作， FIFO 為空，這種工作方 式對(duì)于用無符號(hào)(n-bit)結(jié)構(gòu)來描述的臨界狀態(tài)非常適合。同樣的，如果讀指針 與寫指針的差值大于 1，就進(jìn)行寫操作，直到 FIFO 為滿。這將帶來如下的條件： 寫操作無條件的清除空標(biāo)志。write_po in ter=(read_po in ter+1)，讀操作置空。 讀操作無條件的清除滿標(biāo)志，read_pointer= (write_pointe葉1)，寫操作置滿。注意，讀操作和寫操作同時(shí)都在使其指針增加

10、， 但不改變空標(biāo)志和滿標(biāo)志的 狀態(tài)。在空或滿的臨界狀態(tài)同時(shí)讀操作和寫操作都是不允許的。綜上所述，我們現(xiàn)在能夠定義 FIFO的status模塊，這里提供了用VHDL編 寫的代碼，由于是同步的，很容易轉(zhuǎn)換成 Verilog HDL 代碼。library IEEE, STD;use IEEE.std_logic_1164.all;use IEEE.std_logic_arith.all;use IEEE.std_logic_unsigned.all; entity status is port (reset : in std_logic; clk : in std_logic; fifo_wr :

11、in std_logic; fifo_rd : in std_logic; valid_rd : out std_logic;valid_wr : out std_logic;rd_ptr : out std_logic_vector(4 downto 0); wr_ptr : out std_logic_vector(4 downto 0);empty : out std_logic; full : out std_logic );end status; architecture status_A of status is signal rd_ptr_s : std_logic_vector

12、(4 downto 0); signal wr_ptr_s : std_logic_vector(4 downto 0); signal valid_rd_s : std_logic; signal valid_wr_s : std_logic;begin empty_P : process(clk, reset) beginif (reset = '1') then empty <= '1'elsif (clk'event and clk = '1') then if (fifo_wr = '1' and fifo

13、_rd = '1') then - do nothing null;elsif (fifo_wr = '1') then- write unconditionally clears empty empty <= '0'elsif (fifo_rd = '1' and (wr_ptr_s = rd_ptr_s + '1') then - set empty empty <= '1'end if;end if;end process;full_P : process(clk, reset)b

14、eginif (reset = '1') thenfull <= '0'elsif (clk'event and clk = '1') then if (fifo_rd = '1' and fifo_wr = '1') then - do nothing null;elsif (fifo_rd = '1') then- read unconditionally clears full full <= '0'elsif (fifo_wr = '1'

15、and (rd_ptr_s = wr_ptr_s + '1') then - set full full <= '1'end if;end if;end process;valid_rd_s <= '1' when (empty = '0' and fifo_rd = '1'); valid_wr_s <= '1' when (full = '0' and fifo_wr = '1'); wr_ptr_s_P : process(clk, reset

16、) beginif (reset = '1') then wr_ptr_s_P <= (others => '0');elsif (clk'event and clk = '1') then if (valid_wr_s = '1') then wr_ptr_s <= wr_ptr_s + '1' end if;end if;end process;rd_ptr_s_P : process(clk, reset) beginif (reset = '1') the nrd_

17、ptr_s_P <= (others => '0');elsif (clk'eve nt and clk = '1') then if (valid_rd_s = '1') then rd_ptr_s <= rd_ptr_s + '1'end if;end if;end process;rd_ptr <= rd_ptr_s;wr_ptr <= wr_ptr_s;end status_A;電路圖如圖2所示:Figure 2; Circuit Tor Status block and pointe

18、rs of FIFO of Figure 1.細(xì)心的讀者會(huì)注意到圖2中產(chǎn)生滿或空標(biāo)志需要同時(shí)用到兩個(gè)指針。 在雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)的情況下，希望用讀指針處理(work off)讀時(shí)鐘，寫指針處理(work off)寫時(shí)鐘。這會(huì)引起不希望發(fā)生的毛刺問題一一自己可以去試一試，看一看。這些問題以及一些解決方案將在后續(xù)的該系列文章中提及。PS:文章中三次提到 work off clock，分別在開頭和結(jié)尾處，work off字面意思是"去除, 消除，出售”的意思，可是在FIFO中，不應(yīng)該是去除的意思，故根據(jù)前后文和常識(shí)，將其翻譯為“處理”，有不對(duì)的地方請(qǐng)批評(píng)指正！還有兩部分，會(huì)盡快翻譯出來，敬請(qǐng)期待&

19、lt;未完待續(xù)>Adam Luo BEJING異步 FIFO 結(jié)構(gòu)第二部分）作者：Vijay A. Nebhrajani翻譯：Adam Luo2006 年 7 月在先前的該系列文章中，我們看到了怎樣用雙端口、無寄存器輸出的 RAM 設(shè)計(jì)同步FIFO。這部分我們將探討同樣的概念，并將其推廣到怎樣產(chǎn)生具有相 互獨(dú)立、自由工作的讀、寫時(shí)鐘的 F I F O 。擁有自由工作時(shí)鐘簡化了很多問題， 但是這導(dǎo)致了一個(gè)特殊情況下的解決方法。 普通情況下不對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行假設(shè)， 甚至 不假設(shè)其自由工作。我將在本系列文章的最后一部份討論最普通的情況。如果你看過先前的文章，你會(huì)發(fā)現(xiàn)只有 status模塊工作在兩個(gè)時(shí)

20、鐘。存儲(chǔ)器 沒有寄存輸出， 所以它確實(shí)不需要用讀時(shí)鐘； 即使它是寄存輸出， 也可毫無問題 的運(yùn)行于讀時(shí)鐘上。Status模塊本質(zhì)的功能是對(duì)兩個(gè)指針進(jìn)行操作，而且這兩個(gè) 指針工作在不同的時(shí)鐘域。 這也是真正的困難所在。 如果打算用寫時(shí)鐘來取樣讀 指針或用讀時(shí)鐘來取樣寫指針， 將不可避免的遇到一個(gè)問題： 亞穩(wěn)態(tài)。它將導(dǎo)致 空/滿標(biāo)志的計(jì)算錯(cuò)誤，并導(dǎo)致設(shè)計(jì)的失敗。1 亞穩(wěn)態(tài)接下來我們將系統(tǒng)地開始探討亞穩(wěn)態(tài)， 并解決由亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的問題。 首先我 們來了解一下什么是亞穩(wěn)態(tài)。 亞穩(wěn)態(tài)是一種物理現(xiàn)象的名稱， 它發(fā)生在一個(gè)事件 試圖取樣1（ sample）另一事件的時(shí)候。亞穩(wěn)態(tài)可以描述如下：假設(shè)一個(gè)信號(hào)在 t

21、 = 0時(shí)刻瞬間從 0變?yōu)?1，那么信號(hào)在 t = 0時(shí)刻的值究竟是多少？是 0 還是 1， 或者在兩者之間？在亞穩(wěn)態(tài)中，這個(gè)問題被定義的兩個(gè)時(shí)刻回避了，分別是 0- 和 0+。在 t = 0-時(shí)刻，規(guī)定信號(hào)的取值為 0， t = 0+ 時(shí)刻規(guī)定信號(hào)的取值為 1。 顯然， 0- = 0 - 0， 0+ =0 + 0。注意，這僅僅是一個(gè)數(shù)學(xué)定義，如果你正在用實(shí)際 的電路做同樣的事，輸出將有可能是邏輯 0 （0伏）或者邏輯 1（5伏），或者是 介于 0 5 伏中間的某個(gè)值。正如在數(shù)學(xué)中描述的一樣，物理系統(tǒng)中一個(gè)事件取 樣另一個(gè)事件產(chǎn)生了不可預(yù)知的結(jié)果。 不可預(yù)知性也就意味著另一個(gè)跡象亞 穩(wěn)態(tài)很危險(xiǎn)

22、。1.1 時(shí)間分辨率（ Resolution Time 翻轉(zhuǎn)時(shí)間？）當(dāng)一個(gè)事件取樣一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)（或者一個(gè)能穩(wěn)定一段時(shí)間的值） ，取樣值就 隨這個(gè)穩(wěn)定值而變化。假設(shè)在 D 觸發(fā)器情況下，就是 Q 值隨 D 值變化。這段能 夠穩(wěn)定取樣的時(shí)間用相關(guān)的取樣事件來定義， 稱之為時(shí)間分辨率 （翻轉(zhuǎn)時(shí)間？）。 也就是我們所熟悉的“clock-to Q time”，或匕。如果遇到觸發(fā)器的setup time2和 hold time，這將是cell設(shè)計(jì)者保證輸入能夠正確變?yōu)檩敵龅臅r(shí)間。亞穩(wěn)態(tài)影響 物理系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，同樣也影響輸出值。在“不穩(wěn)定平衡”情況下考慮這些 問題，就像“山上的球” （或者球面上的球體）

23、你不知道它會(huì)向哪個(gè)方向滾，這 個(gè)球就處于不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。 如果球完全不受干擾， 它有可能一直呆在原地， 但 是微小的晃動(dòng)會(huì)使球滾到山的一邊或另一邊。這將無法計(jì)算球從山上滾下的距 離，或者無法計(jì)算球從山的哪一邊滾下來。 這就是亞穩(wěn)態(tài)的一個(gè)準(zhǔn)確的例子 你無法預(yù)知物理系統(tǒng)輸出的值將會(huì)變成什么樣， 多久會(huì)變化， 并且相當(dāng)危險(xiǎn)。 換 句話說， 輸出永遠(yuǎn)保持一個(gè)有限非零概率的亞穩(wěn)態(tài)。 在現(xiàn)實(shí)中， 盡管很少有這種 情況發(fā)生， 但20倍的 clock-to Q 時(shí)間是一個(gè)合理的時(shí)間分辨率數(shù)值。 在理論上， 當(dāng)取樣操作接近被取樣事件的時(shí)候，時(shí)間分辨率是無限的漸進(jìn)曲線。1.2 MTBF （平均無故障時(shí)間）與可靠性

24、如果一個(gè)設(shè)計(jì)中包含同步組件，無論是否愿意它都會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)無 法徹底消除，因此我們所做的就是計(jì)算錯(cuò)誤概率以及在時(shí)間上來描述它。讓我們來看一下，假設(shè)這里有一個(gè)物理系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤發(fā)生的概率為 1/1000。換句話說, 每一千次采樣就會(huì)因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)發(fā)生一次錯(cuò)誤。 這也意味著，每一千次，輸出就會(huì) 在下一個(gè)時(shí)鐘沿到來時(shí)，無法變化。如果時(shí)鐘頻率為1KHz，那么每秒都會(huì)有一次錯(cuò)誤出現(xiàn)，MTBF值就為1秒。當(dāng)然，這個(gè)假設(shè)過于簡單；MTBF是一種故障 概率的統(tǒng)計(jì)度量，并且需要更為復(fù)雜、經(jīng)驗(yàn)化、實(shí)驗(yàn)化的數(shù)據(jù)來計(jì)算。對(duì)于觸發(fā) 器來說，這種關(guān)系依賴于電路自身的物理常數(shù)和時(shí)鐘頻率，記住亞穩(wěn)態(tài)本身與時(shí)鐘沒有任何關(guān)系，

25、但是它和MTBF相關(guān)3。自然的，我們會(huì)說一個(gè)可靠性好的電 路具有很高的MTBF值。1.3同步由于亞穩(wěn)態(tài)無法徹底避免，在設(shè)計(jì)電路時(shí)一定要一一很好的處理錯(cuò)誤。將錯(cuò)誤發(fā)生的概率降到最低。Figure 1 Dual Stage Synrhronizatinn首先要求，設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)之間要有很大的區(qū)別，它并不在本文介紹的范圍。第 二個(gè)要求，使用“同步”技術(shù)。這種技術(shù)由兩個(gè)觸發(fā)器簡單的組合在一起如圖1所示。僅當(dāng)Q1的出現(xiàn)非常接近時(shí)鐘沿的時(shí)候，Q2才會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。如果在亞 穩(wěn)態(tài)情況下我們將20倍的tcq作為時(shí)間分辨率，那么時(shí)鐘周期將為tclk = 20tcq +tsetup。這說明經(jīng)過20倍的clock-to

26、Q時(shí)間，輸出仍然隨輸入改變的概率大大減小。 因此，在時(shí)鐘沿到來時(shí)Q2沒有被改變的概率接近P2,這里P是第一級(jí)輸出沒有 在時(shí)鐘沿到來時(shí)隨輸入而改變的概率。這稱為兩級(jí)同步。當(dāng)使用這個(gè)時(shí)鐘頻率下 概率來計(jì)算MTBF時(shí)，MTBF值會(huì)提高很多。如果愿意的話，可以通過三級(jí)同 步進(jìn)一步增加MTBF值。但這在實(shí)際中很少需要。如圖2所示，可以在電路中增加冗余的同步來很好的抵御亞穩(wěn)態(tài)。在三冗余和等同于兩冗余的狀態(tài)下，最終的輸出大部分（三分之二）可以計(jì)算出來。在這 個(gè)實(shí)例中，小尺寸的布局布線與器件的差異說明了如果一個(gè)同步器產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)錯(cuò) 誤，其他的兩級(jí)也會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)錯(cuò)誤，所有的概率將隨之改變。這種技術(shù)僅在要 求非?？?/p>

27、刻時(shí)候的用到。欲更多了解亞穩(wěn)態(tài)與同步的知識(shí)，請(qǐng)參閱Grosse, Debora 的“ Keep metastabiliy from killing your digital design ”http:/www.ed n. com/archives/1942/062394/13df2.htmAfiyyiciul ipirv 2 Dpublv and I riple rvdundant 2-tac synchronizatiun2采樣計(jì)數(shù)器2.1同步：解決可靠性問題現(xiàn)在我們回到有關(guān)FIFO的問題上來。如果要用時(shí)鐘取樣計(jì)數(shù)器的值，這相 對(duì)于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘來說是異步的。因此，到最后不得不考慮計(jì)數(shù)器到底在哪

28、個(gè)范圍 變化，假定從FFFF到0000。每個(gè)單獨(dú)的位（bit）都處于亞穩(wěn)態(tài)。這種變化意 味著有可能讀數(shù)為0000到ffff之間（包含兩者）的任何可能的值。當(dāng)然這也說 明該情況下FIFO將無法工作。同步可以保存處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)的計(jì)數(shù)器取樣，盡管 看似很離譜但仍然可以得到取樣值。換句話說，僅靠計(jì)數(shù)器同步是不夠的。重要的是我們必須確保不是所有的計(jì)數(shù)器位（bits ）同時(shí)改變。實(shí)際上，不 得不保證每一次計(jì)數(shù)器的增加正好改變一位。 這說明計(jì)數(shù)器變化時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的只 可能有一位。如果計(jì)數(shù)器準(zhǔn)備開始工作，那么至少需要一位的變化，這就是我們 所能做的最好的辦法。我們所需要的是用格雷碼來表示的計(jì)數(shù)器。這是因?yàn)楦窭状a是

29、最小距離碼，相鄰碼元之間的只有1位不同。讓我們來分析一下格雷碼（GRAY）對(duì)于FIFO的指針設(shè)計(jì)有什么作用。首 先，同步意味著計(jì)數(shù)器的取樣值很少處于亞穩(wěn)態(tài)，其次，我們?nèi)拥闹底疃嘀粫?huì)有一位發(fā)生錯(cuò)誤。這就是說計(jì)數(shù)器的真實(shí)值從 N-1變到N，那么無論是否發(fā)生錯(cuò) 誤讀取的數(shù)不是N-1就是N ,而不會(huì)是其它的值。由于在變化的那一時(shí)刻，必須 確定輸出的值是多少，這對(duì)于讀出計(jì)數(shù)器值來說是完全正確的舉動(dòng)。只要能夠確定讀出的值是舊還是新就可以了。 出現(xiàn)其它值則是不對(duì)的。如果進(jìn)一步考慮，將 會(huì)發(fā)現(xiàn)如果在改變值的瞬間取樣計(jì)數(shù)器的值，兩個(gè)答案（N-1，N）對(duì)于計(jì)數(shù)器的值都是正確的。2.2保守的問報(bào)告一一很好的處理錯(cuò)

30、誤了解了這么多，接下來分析一下怎樣將這些知識(shí)用于 FIFO的讀寫指針操作。 人們通常希望知道FIFO是否為滿。如果它滿了，必須阻止寫操作再次發(fā)生。這 很關(guān)鍵，因?yàn)楫?dāng) FIFO 已滿時(shí)，必須停止寫指針加 1。將（格雷碼的）讀指針與 寫時(shí)鐘同步。因?yàn)槊慨?dāng)同步讀指針的時(shí)候，實(shí)際的讀指針可能會(huì)變?yōu)椴煌闹怠?這意味著讀指針可能會(huì)是一個(gè)失效的值。 如果是這樣， 從寫操作的角度考慮會(huì)發(fā) 生少讀現(xiàn)象（相比實(shí)際情況） ，如果條件吻合， FIFO 為滿。實(shí)際上， FIFO 可能 未滿，因?yàn)橛锌赡茏x操作發(fā)生，而從寫操作的角度是“看不到”的。然而，我們 只要阻止額外的寫操作就 OK 了。如果當(dāng) FIFO 真的滿了時(shí)

31、我們不去阻止寫操作 將會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。同樣的從讀操作的角度看實(shí)際上當(dāng) FIFO 中還有一些數(shù)據(jù)時(shí)， 讀操作一 方看到“被延遲的”寫操作，可能會(huì)認(rèn)為 FIFO 為空。這種情況讀操作被阻止直 到寫操作“變得可被讀操作一方所看見” ，它將不允許進(jìn)一步的讀操作。上述被稱為保守的報(bào)告。簡而言之，當(dāng) FIFO 未滿時(shí)，對(duì)于寫操作一方報(bào)告 稱 FIFO 已滿，當(dāng) FIFO 未空時(shí)，報(bào)告對(duì)讀操作一方稱 FIFO 已空。這種現(xiàn)象好比 FIFO 動(dòng)態(tài)的縮小了一點(diǎn)，這毫無壞處。在字節(jié)計(jì)算的情況下，我們用同樣的技 術(shù)，提供寫操作一方的字?jǐn)?shù)計(jì)算和讀操作一方的字?jǐn)?shù)計(jì)算。 寫操作一方計(jì)算的字 數(shù)可能大于 FIFO 中的真實(shí)字?jǐn)?shù)

32、。這已令人相當(dāng)滿意了，因?yàn)橛绊懰膬H僅是允 許其阻止下一步的寫操作。 同理， 讀操作一方字?jǐn)?shù)計(jì)算會(huì)少于實(shí)際字?jǐn)?shù)， 那也沒 關(guān)系，只要確認(rèn)不要將寫操作一方計(jì)算的字?jǐn)?shù)用于讀操作一方即可，反之亦然。這種保守的報(bào)告機(jī)構(gòu)在被同步的值中能很好的處理錯(cuò)誤。 事實(shí)上，即使取樣 的讀指針值將處于亞穩(wěn)態(tài)一段時(shí)間，其影響只是阻止寫操作，使 FIFO 暫停寫操 作，而不會(huì)引起數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。同理適于讀操作。3 結(jié)構(gòu) 13.1 產(chǎn)生空 /滿標(biāo)志的條件記得上篇文章中，我們提到了指針不是影響空 /滿標(biāo)志唯一的條件。空標(biāo)志 的條件是由讀操作引起的讀寫指針相等， 滿標(biāo)志的條件是寫操作引起的讀寫指針 相等。換句話說，要正確地產(chǎn)生空 /

33、滿標(biāo)志信號(hào)，需要用寫時(shí)鐘對(duì)讀信號(hào)進(jìn)行取 樣，同時(shí)用讀時(shí)鐘對(duì)寫信號(hào)進(jìn)行取樣。 這不同于球的游戲， 因?yàn)槲覀儾幌Ｍ麑?duì)時(shí) 鐘的頻率做出假設(shè)。設(shè)想一個(gè)10ns的寫信號(hào)（100MHz）被一個(gè)1KHz的讀時(shí)鐘 取樣，若無脈沖寬度延展的話就不能這樣做， 而且這也意味著已知 （或假設(shè)已知） 兩個(gè)時(shí)鐘之間具有某種關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，我們也不希望假設(shè)時(shí)鐘之間有任何的關(guān)系。 這就引起了分別圍繞三種 方法的問題， 并且，它將引出我們即將討論的三種不同的結(jié)構(gòu)。 第一種結(jié)構(gòu)相當(dāng) 不錯(cuò)，將在下面描述。第二種結(jié)構(gòu)也還行，但不是很好，第三種結(jié)構(gòu)性能超強(qiáng)， 但在在面積占用方面沒有優(yōu)勢(shì)。選擇哪種結(jié)構(gòu)要根據(jù)自己的需求。3.2 第一個(gè)方案 由

34、于不可能設(shè)計(jì)出一個(gè)不考慮頻率的滿足脈沖采樣的電路，通過對(duì)讀 /寫指 針的編碼我們繞過了這個(gè)問題。構(gòu)造一個(gè)指針寬度為 N+1 ，深度為 2N 字節(jié)的FIF O。為便方比較還可以將格雷碼指針轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制指針。 當(dāng)（正被討論的已被時(shí)鐘同步的） 指針的二進(jìn)制碼中最高位不一致而其它 N 位都相等時(shí)， FIFO 為滿。當(dāng)（已經(jīng)過二進(jìn)制轉(zhuǎn)換的）指針完全相等時(shí)， FIFO 為 空。這也許不容易看出，因此讓我們舉個(gè)例子來分析一下。 思考一下一個(gè)深度為 8 字節(jié)的 FIFO 怎樣工作（使用已轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的指針）（譯者注：FIF0_WIDTH=8 , FIFO_DEPTH= 2 N = 8 , N = 3，指針寬度

35、為 N+1=4 ）。起初 rd_ptr_bin 和wr_ptr_bin均為“ 0000”。此時(shí)FIFO中寫入8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。wr_ptr_bin =“ 1000”，rd_ptr_bin= “0000”。當(dāng)然，這就是滿條件。現(xiàn)在，假設(shè)執(zhí)行了 8次的 讀操作，使得rd_ptr_bin = “ 1000”，這就是空條件。另外的 8次寫操作將使 wr_ptr_bin等于“0000”，但rd_ptr_bin仍然等于“ 1000”，因此FIFO為滿條件。顯然起始指針無需為“ 0000”。假設(shè)它為“ 0100”，并且FIFO為空，那么8 個(gè)字節(jié)會(huì)使 wr_ptr_bin = “ 1100'，, rd

36、_ptr_bin 仍然為“ 0100”。這又說明 FIFO 為滿。這個(gè)例子的意義就在它生動(dòng)地說明了讀/寫指針怎樣產(chǎn)生空/滿標(biāo)志的。我曾 說過第一個(gè)方案是最好的？你到不如將其這種技術(shù)與同步 FIFO 起使用。它可 以避免算數(shù)運(yùn)算，提高FIFO的速度。3.3實(shí)現(xiàn)我們知道在FIFO中要用到格雷碼計(jì)數(shù)器。而不是用由格雷碼換算的二進(jìn)制 碼計(jì)數(shù)器（它不能實(shí)現(xiàn)每個(gè)計(jì)數(shù)器換后只有 1位發(fā)生變化），必須使用真正的格 雷碼計(jì)數(shù)器。如果想實(shí)現(xiàn)格雷碼計(jì)數(shù)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它并不像看起來那么容易。當(dāng)然, 你可以創(chuàng)建一個(gè)定制的機(jī)構(gòu)來完成這項(xiàng)工作，但還是讓我來提供一個(gè)更為普遍的 解決問題的方法。大家知道格雷碼于二進(jìn)制碼之間能夠相互

37、轉(zhuǎn)換用到一個(gè)簡單的 公式：二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)格雷碼gn=bnGi=bi bi+1? i 工 n格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制碼bn=gnbi=gibi+1? i 工 nFigure 3 Gnetdizcd Gray counlet architecture在上面的公式中，下標(biāo)表示n+1位二進(jìn)制碼或格雷碼的位數(shù)。我們還知道計(jì)數(shù)器不過是一個(gè)觸發(fā)器組和一個(gè)累加器而已，我們可以按照下 面的方法來做一一將格雷碼碼元轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼元，然后加1，再它轉(zhuǎn)換回格雷碼并存儲(chǔ)。這是解決產(chǎn)生n-bit格雷碼算法棘手冋題一個(gè)普遍的方法。由它生成 的計(jì)數(shù)器如圖3所示。當(dāng)用綜合工具優(yōu)化時(shí)，相信綜合工具能夠?yàn)楦窭状a計(jì)數(shù)器提供一個(gè)相當(dāng)快速的電路。當(dāng)然

38、，如果希望擁有一個(gè)深度為32字節(jié)的FIFO時(shí)，可在格雷碼編碼的狀態(tài)機(jī)中手工編寫計(jì)數(shù)器代碼。最終的FIFO設(shè)計(jì)如圖4所示。這次我不再提供代碼，因?yàn)槲蚁嘈艧o論用 VHDL或Verilog HDL編寫，那都是一件非常容易的事。在這里我要補(bǔ)充一點(diǎn)：如果你觀察圖 4,會(huì)注意到有4個(gè)格雷碼二進(jìn)制碼 轉(zhuǎn)換器，這并不浪費(fèi)。但通過保留格雷碼指針的低 n-bit和二進(jìn)制最高位將有可 能避免使用這些轉(zhuǎn)換器。這是一種“混合”計(jì)數(shù)器，我將它作為練習(xí)留給讀者。Hfture 4 Smuis Blotk for Ar<hite<tiire I3.4時(shí)間考量 管理FIFO工作的首要時(shí)間條件是時(shí)鐘的最高頻率。在上述的

39、FIFO條件下,不得不面對(duì)幾個(gè)參量時(shí)鐘頻率不能大于存儲(chǔ)器所需頻率，必須滿足亞穩(wěn)態(tài)時(shí)間關(guān)系tclk=20tcq+tsetup。當(dāng)然，在公式中20這個(gè)因數(shù)完全憑借經(jīng)驗(yàn)，倘若已經(jīng)完 成系統(tǒng)MTBF的計(jì)算，也可以選擇其它值。另外，還應(yīng)考慮格雷碼計(jì)數(shù)器能夠 運(yùn)行多快，因?yàn)樯鲜龉揭笫苤朴赬OR （異或）門的速度。由于本文沒有做任何設(shè)想（除了同步，而這并非真正意義上的設(shè)想），時(shí)間不會(huì)引起很多同樣的 問題。在這個(gè)設(shè)計(jì)中最應(yīng)考慮的是用格雷碼計(jì)數(shù)器和同步時(shí)避免與亞穩(wěn)態(tài)相關(guān)的錯(cuò)誤。要認(rèn)識(shí)到發(fā)生同步錯(cuò)誤，整個(gè) FIFO將無法工作（2bit錯(cuò)誤就將意味著在 DPRAM中一個(gè)完全不同的地址，因?yàn)榈刂芬灿酶窭状a表示）一

40、一也就是 FIFO 即可以吃入數(shù)據(jù)也可以吐出數(shù)據(jù)。 所以，我無法列出更多的要點(diǎn)，而這些要點(diǎn)都 基于用戶設(shè)計(jì)中MTBF值，要做好你所能承擔(dān)的最壞的打算。未完待續(xù)譯者注釋：1 sample在這里翻譯為“取樣”，而不是“采樣”、“抽樣”，是想有別于奈奎斯特定理中抽樣的概念。漢語中在觸發(fā)器構(gòu)成的電路里很少聽到“取樣”這種說法，但文中用到了 sample一詞，姑且譯作“取樣”，其實(shí)它表示了時(shí)序電路中兩個(gè)信號(hào)相遇時(shí)的狀態(tài)、穩(wěn)定程度及先后關(guān)系。2 關(guān)于setup time和hold time借用北大的一個(gè) PPT來解釋其意義。存儲(chǔ)元件的宏時(shí)棋型禮立時(shí)間（Setup Time 1 :的世監(jiān)時(shí)神詛褓之人必鎖隱宦

41、MHtH （HoldTtaw）:衣笈時(shí)伸姬 afl 覇入回細(xì)侃持locko-Q time 時(shí)飼訕沿.輸由樣奉能危妙變佛* 9逆軻門的延堰英也曲兩部分削就:-ciocto-a ： r'nj-aock-to-Qi'J3 實(shí)際中，MTBF與時(shí)鐘頻率也有關(guān)，若一個(gè)時(shí)鐘為1MHz的系統(tǒng)其MTBF為10年，當(dāng)時(shí)鐘變?yōu)?0 MHz 時(shí)，其MTBF有可能變?yōu)?秒鐘。4 最小距離碼：碼的距離定義為相鄰兩個(gè)碼元之間互異元素的個(gè)數(shù)比如101010與110011,從左到右，互異的元素有，第2個(gè)，第3個(gè)，第6個(gè)，所以碼距為3。這種定義又稱為碼的漢明距離。格雷碼相 鄰碼只有一位不同，因此格雷碼的距離為1。

42、5 原文為Pessimistic Reporting，字面翻譯為悲觀 的報(bào)告，但綜合上下文的意思來看，作者想表述得的意思是寧少不多，寧慢不快。應(yīng)該是一種出于保險(xiǎn)的，保守的考慮，寧可少讀一次FIFO，也不讓FIFO岀錯(cuò)，顧翻譯為“保守的報(bào)告”限于水平，以上翻譯中的錯(cuò)誤在所難免，歡迎大家批評(píng)指正!Adam Luo7異步 FIFO 結(jié)構(gòu)（第三部分）作者：Vijay A.Nebhrajani翻譯：Adam Luo2006 年 7 月 30 日在本系列文章的第一部分我們了解了FIFO的一般結(jié)構(gòu)，并分析了單時(shí)鐘FIFO的一個(gè)特例門。第二部分描述了雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)的一種可能的結(jié)構(gòu)。在第三部分我們將探究一種具有新穎

43、結(jié)構(gòu)的雙時(shí)鐘 FIFO。這種結(jié)構(gòu)未必更好一一只是另 一種實(shí)現(xiàn)的方法而已。1 工作原理 至此我們已經(jīng)解決了用格雷碼表示的不同時(shí)鐘域的所有計(jì)算， 包括多位二進(jìn) 制計(jì)算。本篇所介紹的結(jié)構(gòu)與以往并沒有什么不同， 唯一的區(qū)別在判斷引起讀寫 指針相等條件的方法。如果還記得先前的文章，文中提到讀寫指針相等意味著無論是滿條件還是空 條件，依賴于讀操作還是寫操作導(dǎo)致了指針的相等。在同步FIFO的第一個(gè)例子中，這很容易判別，因?yàn)閮煞N操作均與一個(gè)時(shí)鐘有關(guān)。在第二種結(jié)構(gòu)中，這個(gè)條 件已被編碼于指針中。我們現(xiàn)在將探究雙時(shí)鐘設(shè)計(jì)的第二種方法。1.1方向標(biāo)志（ Direction flags ）在這種結(jié)構(gòu)中，我們讓指針軌跡

44、的標(biāo)志相等。我們稱其為“ Direction flags （方 向標(biāo)志）”這個(gè)標(biāo)志告訴狀態(tài)電路 FIFO “當(dāng)前朝向（headed”它假設(shè)寫操作 引起的FIFO朝越來越滿的方向與讀操作引起的 FIFO朝越來越空的方向?yàn)镕IFO 的朝向。不用說，每邊（讀操作或?qū)懖僮鳎┒急仨毐Ａ舄?dú)立的方向標(biāo)志復(fù)本 （copies） 并且維持在保守狀態(tài)。因此對(duì)于寫操作一方將有其自己的方向標(biāo)志來維護(hù)保守 性。也就是，從讀操作一方可能會(huì)看到寫操作被延遲并且讀操作一邊也將維持方 向標(biāo)志，它可以根據(jù)延遲的寫操作來計(jì)算。就像先前的雙時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，這將確認(rèn) FIFO 沒有在吞或吐數(shù)據(jù)，但這樣做是以 FIFO 尺寸動(dòng)態(tài)縮小為代價(jià)的。

45、FIFO 滿/空標(biāo)志的計(jì)算基于這些方向標(biāo)志，其思想是如果 FIFO 的朝向?yàn)橄?越來越滿的方向，并且指針相等，則 FIFO 真正為滿。如果 FIFO 朝向越來越空 的方向，并且指針相等，則FIFO確實(shí)為空。1.2 方向標(biāo)志的實(shí)現(xiàn)有很多不同的方法實(shí)現(xiàn)方向標(biāo)志：一般的想法是當(dāng) FIFO 的字節(jié)計(jì)算超過某 個(gè)預(yù)定上限，就認(rèn)為 FIFO“going towards full（ 趨向滿） ”，當(dāng)字節(jié)計(jì)算低于預(yù)定 下限是，就認(rèn)為 FIFO “going towards empty （趨向空）”一些設(shè)計(jì)人員選擇“ going towards full”的門限為FIFO容量的75%，“going toward

46、s empty ”的門限為FIFO容量的25%。還有人選擇兩個(gè)門限都為 FIFO容 量的 50%。也有選擇 80% 和20%的。門限的選擇可由自己來決定，要根據(jù)設(shè)計(jì) 選擇最適合的門限。也可以根據(jù)時(shí)鐘的速度與門限值得關(guān)系來確定以便使標(biāo)志失 效的可能性最小，但我不確定門限的選擇會(huì)讓設(shè)計(jì)的系統(tǒng)變得更好。 我認(rèn)為上限 與下限之間有滯后或許更好（滯后的意思是上限與下限之間的差并且“going full ”門限要大大超于“ going empty”門限）。我們不妨選擇 FIFO 容量的 75%和 25%作為門限。這樣做比較有效，因?yàn)槟?只需比較指針的高兩位就能決定是否越過門限。 若用另一些值，你將不得不比較 指針的所有位，而這有可能影響你所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的速度。 像以前一樣，寫操作的 一方可以看到寫指針和一個(gè)被同步的讀指針， 兩個(gè)指針均為格雷碼。然后，將格 雷碼指針轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制指針并計(jì)算出 FIFO 中有多少數(shù)據(jù)。如果 FIFO 中的數(shù)據(jù) 量大于“going full”門限，就置位方向標(biāo)志。當(dāng)FIFO中的數(shù)據(jù)小于“going empty” 門限，就清除方向標(biāo)志。同理，讀操作看到（格雷碼的）讀指針和一個(gè)被同步的（格雷碼的）寫指針。 在完成格雷碼到二