異步FIFO設(shè)計(jì)

摘要：本文介紹如何應(yīng)用美國(guó)QUICKLOGIC公司的QUICKRAM器件設(shè)計(jì)高速、高可靠異步FIFO（Asynchronous FIFO）。

異步FIFO廣泛地用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)中進(jìn)行非同步數(shù)據(jù)傳送，這里的非同步指按一種速率發(fā)送而按另一速率接收。因此異步FIFO有兩個(gè)不同的時(shí)鐘，一個(gè)為讀同步時(shí)鐘，一個(gè)為寫同步時(shí)鐘。

當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的模塊進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的模塊時(shí)，一個(gè)需仔細(xì)解決的問題就出現(xiàn)了。例如當(dāng)寫時(shí)鐘比讀時(shí)鐘快時(shí)，未讀走數(shù)據(jù)有可能被新數(shù)據(jù)覆蓋，因而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。為了解決這個(gè)問題，就必須增加一些控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，控制信號(hào)如pusb、pop，狀態(tài)信號(hào)如empty,almostempty,full,almost-full。

功能描述

典型的異步FIFO（AsynFIFO）都是由異步雙端口RAM和控制邏輯構(gòu)成，控制邏輯包含讀指針和寫指針。

當(dāng)FIFO中有數(shù)據(jù)而非空時(shí)，POP信號(hào)（同步于讀時(shí)鐘）用于控制數(shù)據(jù)的讀出，所讀數(shù)據(jù)來自讀指針?biāo)傅模ˋUAL PORT RAM）中的存儲(chǔ)單元，并且讀指針加一。當(dāng)讀指針趕上寫指針時(shí)，F(xiàn)IFO為空并且用empty信號(hào)（同步于讀時(shí)鐘）來指示這種情況。

當(dāng)FIFO中有空間而非滿時(shí)，PUSH信號(hào)（同步于寫時(shí)鐘）用于控制數(shù)據(jù)的寫入，所寫數(shù)據(jù)寫入寫指針?biāo)傅碾p端口RAM中的存儲(chǔ)單元，并且寫指針加一。當(dāng)寫指針趕上讀指針時(shí)，F(xiàn)IFO為滿足并且用full信號(hào)（同步于寫時(shí)鐘）來指示這種情況。

當(dāng)FIFO中只剩不足三個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，almost-empty有效（同步于讀時(shí)鐘）。類似地，當(dāng)FIFO中還有不足四個(gè)空位時(shí)almost-full將有效（同步于寫時(shí)鐘）。用戶可根據(jù)需要修改讀、寫側(cè)的計(jì)數(shù)器初始值，從而確定所需要的almost-empty和almost-full提前量。例如當(dāng)計(jì)數(shù)器初始化為7時(shí)，almost-empty和almost-full將分別比empty和full提前7個(gè)位置。讀側(cè)和寫側(cè)的狀態(tài)機(jī)將根據(jù)內(nèi)部比較器的輸出來確定這些狀態(tài)信號(hào)。每側(cè)的狀態(tài)機(jī)都有兩上D觸發(fā)器，構(gòu)成雙同步，這樣的設(shè)計(jì)可大幅度提高系統(tǒng)的可靠性，使得平均元故障時(shí)間（MTBF）可大于100年。

結(jié)構(gòu)

圖1為AsynFIFO的頂層設(shè)計(jì)框圖（Quicklogic免費(fèi)提供全部設(shè)計(jì)文件），并給出了各相模塊的設(shè)計(jì)文件名。圖中各模塊可根據(jù)要求修改，以增加FIFO的寬度和深度。請(qǐng)注意，本文圖中沒有給出讀側(cè)和寫側(cè)的狀態(tài)機(jī)。

RAM塊

圖1中用了一個(gè)64×32的RAM塊。該RAM塊由Verilog代碼定義，該代碼由SpDE內(nèi)的RAM/ROM/FIFO向?qū)ё詣?dòng)產(chǎn)生。在向?qū)е杏脩艨勺杂芍付ㄋ璧膶挾群蜕疃?，向?qū)ё詣?dòng)產(chǎn)生所需的Verilog/VHDL代碼和原理圖中所需的symbol。

比較器

參考設(shè)計(jì)中的比較器為5位，采用純?cè)韴D方法輸入。當(dāng)用戶修改了RAM塊的深度時(shí)，比較器的寬度也要與之對(duì)應(yīng)。例如當(dāng)FIFO深度為256時(shí)，地址須為8位，因而是比較器也應(yīng)為8位。

格雷碼計(jì)數(shù)器

為了提高M(jìn)TFB，設(shè)計(jì)中采用了格雷碼計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器為5位，采用Verilog/VHDL語言實(shí)現(xiàn)。它們可以被改成6位、7位、8位、9位，以對(duì)應(yīng)深度為64、128、256、512的FIFO。

鎖存器

圖中的鎖存器為verilog/VHDL語言所寫，讀側(cè)有三個(gè)，寫側(cè)有一個(gè)，用戶可自由地修改其寬度。它們用于狀態(tài)、控制信號(hào)的產(chǎn)生。

性能

RARTS：QuickRAM family

AREA：48 buffer cells

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

結(jié)論

采用QuickRAM器件實(shí)現(xiàn)異步FIFO方便靈活，并且速度快，成本低，還可以實(shí)現(xiàn)非常規(guī)深度和寬度的專用FIFO。