基于Verilog HDL的異步FIFO設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　在現(xiàn)代IC設(shè)計(jì)中，特別是在模塊與外圍芯片的通信設(shè)計(jì)中，多時(shí)鐘域的情況不可避免。當(dāng)數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域傳遞到另一個(gè)域，并且目標(biāo)時(shí)鐘域與源時(shí)鐘域不相關(guān)時(shí)，這些域中的動(dòng)作是不相關(guān)的，從而消除了同步操作的可能性，并使系統(tǒng)重復(fù)地進(jìn)入亞穩(wěn)定狀態(tài)[1]。在有大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行跨時(shí)鐘域傳輸且對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速度要求比較高的場(chǎng)合，異步FIFO是一種簡(jiǎn)單、快捷的解決方案。

　　異步FIFO用一種時(shí)鐘寫入數(shù)據(jù)，而用另外一種時(shí)鐘讀出數(shù)據(jù)。讀寫指針的變化動(dòng)作由不同的時(shí)鐘產(chǎn)生。因此，對(duì)FIFO空或滿的判斷是跨時(shí)鐘域的。如何根據(jù)異步的指針信號(hào)產(chǎn)生正確的空、滿標(biāo)志，是異步FIFO設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本文提出一種新穎的異步FIFO設(shè)計(jì)方案，它通過(guò)先比較讀寫地址并結(jié)合象限檢測(cè)法產(chǎn)生異步的空/滿標(biāo)志，再把異步的空/滿標(biāo)志同步到相應(yīng)的時(shí)鐘域。通過(guò)仿真驗(yàn)證，該方法是穩(wěn)定有效的。

　　1 異步信號(hào)傳輸問(wèn)題的分析

　　在一個(gè)ASIC或FPGA庫(kù)中，每種觸發(fā)器都有時(shí)序要求。對(duì)于使用上升沿觸發(fā)的觸發(fā)器來(lái)說(shuō)，建立時(shí)間(Setup Time)是在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前，觸發(fā)器數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定的最小時(shí)間；而保持時(shí)間(Hold Time)是在時(shí)鐘上升沿到來(lái)之后，觸發(fā)器數(shù)據(jù)還應(yīng)該保持的最小時(shí)間[2]。如圖1所示，在時(shí)鐘上升沿前后的這個(gè)窗口內(nèi)數(shù)據(jù)應(yīng)該保持不變，否則會(huì)使觸發(fā)器工作在一個(gè)不確定的狀態(tài)，即亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)觸發(fā)器處于亞穩(wěn)態(tài)，且處于亞穩(wěn)態(tài)的時(shí)間超過(guò)了一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，這種不確定的狀態(tài)將會(huì)影響到下一級(jí)的觸發(fā)器，最終導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)功能失常。當(dāng)一個(gè)信號(hào)跨越某個(gè)時(shí)鐘域時(shí)，對(duì)新時(shí)鐘域的電路來(lái)說(shuō)它就是一個(gè)異步信號(hào)。由于異步信號(hào)之間的時(shí)序是毫無(wú)關(guān)系的，因此必然存在Setup Time/Hold Time沖突。為了避免亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題，采用如圖2所示的雙鎖存器法[3]，即在一個(gè)信號(hào)進(jìn)入另一個(gè)時(shí)鐘域前，將該信號(hào)用兩個(gè)鎖存器連續(xù)鎖存兩次，最后得到的采樣結(jié)果就可以消除亞穩(wěn)態(tài)。

　　消除亞穩(wěn)態(tài)只是保證了信號(hào)電平的穩(wěn)定，要在不同時(shí)鐘域中準(zhǔn)確傳輸數(shù)據(jù)還需要一個(gè)接口電路。異步FIFO就是一種不同時(shí)鐘域之間傳遞多位數(shù)據(jù)的常用方法。

　　2 異步FIFO設(shè)計(jì)

　　異步FIFO是一種先進(jìn)先出電路，用在需要實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接口的部分，用來(lái)存儲(chǔ)、緩沖在兩個(gè)異步時(shí)鐘之間的數(shù)據(jù)傳輸。主要由雙口存儲(chǔ)器、讀地址產(chǎn)生邏輯、寫地址產(chǎn)生邏輯、空/滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯四部分構(gòu)成。圖3是一種常用的異步FIFO設(shè)計(jì)方案，其中，讀地址(rptr)和空標(biāo)志(rempty)由讀時(shí)鐘 (rclk)產(chǎn)生，而寫地址(wptr)和滿標(biāo)志(wfull)由寫時(shí)鐘(wclk)產(chǎn)生。把寫地址與讀地址相互比較以產(chǎn)生空/滿標(biāo)志。由于讀寫地址的變化由不同的時(shí)鐘產(chǎn)生，所以對(duì)FIFO空或滿的判斷是跨時(shí)鐘域的。如何避免異步傳輸帶來(lái)的亞穩(wěn)態(tài)以及正確地產(chǎn)生空/滿標(biāo)志是設(shè)計(jì)異步FIFO的難點(diǎn)。

　　2.1 讀寫地址產(chǎn)生邏輯

　　讀寫地址線一般有多位，如果在不同的時(shí)鐘域內(nèi)直接同步二進(jìn)制碼的地址指針，則有可能產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。例如，讀指針從011變化到100時(shí)，所有位都要變化，讀指針的每一位在讀時(shí)鐘的作用下，跳變不一致，即產(chǎn)生毛刺。如果寫時(shí)鐘恰好在讀指針的變化時(shí)刻采樣，得到的采樣信號(hào)可能是000～111中的任何一個(gè)，從而導(dǎo)致空/滿信號(hào)判斷錯(cuò)誤。由實(shí)踐可知，同步多個(gè)異步輸入信號(hào)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步一個(gè)異步信號(hào)的概率[3]。解決這一問(wèn)題的有效方法是采用格雷碼。格雷碼的主要特點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)編碼之間只有一位變化。圖4是格雷碼產(chǎn)生的邏輯框圖。在讀使能或?qū)懯鼓苄盘?hào)有效、并且空/滿標(biāo)志無(wú)效的情況下，讀寫指針開(kāi)始累加，進(jìn)行FIFO讀或?qū)懖僮?。二進(jìn)制碼與格雷碼的轉(zhuǎn)換是一個(gè)“異或”運(yùn)算：gnext=(bnext>>1)^bnext。格雷碼gnext 經(jīng)寄存器輸出格雷碼指針ptr。這種方法采用了兩組寄存器，雖然面積較大，但是有助于提高系統(tǒng)的工作頻率。

　　2.2 空/滿標(biāo)志產(chǎn)生邏輯

　　正確地產(chǎn)生空/滿標(biāo)志是設(shè)計(jì)任何類型FIFO的關(guān)鍵點(diǎn)。空/滿標(biāo)志產(chǎn)生的原則是：寫滿而不溢出，能讀空而不多讀。傳統(tǒng)的異步FIFO把讀寫地址信號(hào)同步后再進(jìn)行同步比較以產(chǎn)生空滿標(biāo)志，由于讀寫地址的每一位都需要兩級(jí)同步電路，大量使用寄存器必然要占用很大的面積。這種方法不適合設(shè)計(jì)大容量的FIFO。當(dāng)讀、寫指針相等也就是指向同一個(gè)內(nèi)存位置時(shí)，F(xiàn)IFO可能處于滿或空兩種狀態(tài)，必須區(qū)分FIFO是處于空狀態(tài)還是滿狀態(tài)。傳統(tǒng)的做法是把讀、寫地址寄存器擴(kuò)展一位，最高位設(shè)為狀態(tài)位，其余低位作為地址位。當(dāng)讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合時(shí)，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)；當(dāng)讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反時(shí)， FIFO處于滿狀態(tài)。傳統(tǒng)的異步FIFO工作頻率低、面積大。下面將介紹一種產(chǎn)生空/滿標(biāo)志的新方法。