【FPGA】跨时钟设计：异步FIFO设计

sunsili

【FPGA】跨时钟设计：异步FIFO设计文章来源于IC的世界，作者IC小鸽


1、异步FIFO

在ASIC设计或者FPGA设计中，我们常常使用异步fifo（first in first out）（下文简称为afifo）进行数据流的跨时钟，可以说没使用过afifo的Designer，其设计经历是不完整的。废话不多说，直接上接口信号说明。

2、afifo接口信号说明  

如下表格为常见的afifo接口信号，非必须指的部分场景的afifo可能不存在此信号。不同公司对afifo接口的设计可能不一样，但是基本都包含了如下接口：wr表示write，写侧时钟域信号，rd表示read，读侧时钟域信号。

信号名称	位宽	必要性	含义
almost_full	1	非必须	将满信号，1表示afifo快满了，当afifo的有效数量大于配置时，置1
full	1	非必须	afifo满信号，1表示afifo已满
empty	1	非必须	1表示
rd_data	[DATA_WIDTH-1:0]	必须	有效数据
ovf_int	1	非必须	1表示上溢出，即afifo满了还有数据写入
udf_int	1	非必须	1表示下溢出，即afifo空了外部逻辑还产生了读使能
data_count	[ADDR_WIDTH:0]	非必须	afifo存储的数据量
cfg_almost_full_value	[ADDR_WIDTH:0]	非必须	将满配置信号，一般由配置寄存器模块提供驱动
wr_rst_n	1	必须	写侧复位
wr_clk	1	必须	写侧时钟
wr_en	1	必须	写使能，1表示有数据写入
wr_data	[DATA_WIDTH-1:0]	必须	写数据
rd_rst_n	1	必须	读时钟与复位
rd_clk	1	必须	读时钟
rd_en	1	必须	读使能

3、设计原理  

为了方便描述，本章节将以深度为8的afifo进行讲解，其中读写地址位宽为3，格雷码地址位宽为4。

         

图1 afifo结构图（来自eetop ThinkSpark）

图2：读写地址计算图

（1）存储模块：  

中间区域为memory存储模块，用于存储数据data，要么是1R1W的ram，要么是普通的寄存器。项目自研代码中，存储模块通常使用1R1W的ram，其需要memory生成器生成，需要与制造工艺匹配。而在soft IP中，针对小规格的afifo，为了方便，常常使用寄存器作为afifo的存储。

（2）写地址产生逻辑  

写地址waddr在wr_clk时钟域产生，有两个作用，作为存储模块的写地址并且产生格雷码waddr_gray。此种需要注意：waddr是递增的，且会翻转。如果afifo深度为8（n），则waddr位宽为3(log2(n) )，waddr计数到7后，再次写入则翻转为0。

（3）读地址产生逻辑  

读地址raddr在rd_clk时钟域产生，有两个作用，作为存储模块的读地址并且产生格雷码raddr_gray。此种需要注意：raddr是递增的，且会翻转。如果afifo深度为8（n），则raddr位宽为3(log2(n) )，raddr计数到7后，再次读出则翻转为0。

（4）读地址同步  

使用2级或者3级单bit同步器Synchronizer将读地址格雷码raddr_gray同步到wr_clk时钟域得到raddr_gray_sync，raddr_gray_sync进行格雷码逆转成二进制编码得到raddr_sync，用于产生将满信号和满信号。

在fpga设计中，2级单bit同步器Synchronizer就是2个串联的寄存器，在ASIC设计中，通常是定制的cell（会将两个/三个寄存器摆放靠得很近）。

（5）写地址同步器  

使用2级或者3级单bit同步器Synchronizer将写地址格雷码waddr_gray同步到rd_clk时钟域得到waddr_gray_sync，waddr_gray_sync进行格雷码逆转成二进制编码得到waddr_sync，用于产生将空信号和空信号。

（6）满信号产生逻辑  

此模块首先计算在wr_clk时钟域的剩余可写afifo深度，即wr_gap[3:0]=raddr_sync[2:0]+4’d8（FIFO深度）-waddr[2:0]，然后根据wr_gap[3:0]产生amost_full和full信号

always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)

    if(~wr_rst_n)

        full <= 1'b0;

    else

        full <= (!(|wr_gap)) || ((wr_gap==1)&wr_en);

• 
  

always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)

    if(~wr_rst_n)

        begin

            almost_full <= 1'b0;

        end

    else

        begin

            if( wr_data_cnt>=cfg_almost_full_value )

                    almost_full <= 1'b1;

            else

                    almost_full <= almost_full;

        end

（7）空信号产生逻辑  

此模块首先计算在rd_clk时钟域的可读afifo深度，即assign  {ovf_nc1,rd_gap} = waddr_sync - raddr，然后根据rd_gap[3:0]产生empty信号。

always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)

    if(~rd_rst_n)

        empty <= 1'b1;

    else

        empty <= (!(|rd_gap)) || ((rd_gap==1)&rd_en);         

4、重点说明  （1）格雷码的优势  

格雷码的特点就是在递增，递减，或者翻转过程中，只会有1个bit位发生变化。因此单bit同步器Synchronizer同步后，只有存在变化的那一个bit可能会发生亚稳态。即使发生了亚稳态，体现的结果要么是0，要么是1，在格雷码上的同步效果就是当前clk周期没有同步（相当于delay了一个目的周期）到或者当前周期已采样到。

同时它也有自己的局限性，那就是循环计数深度必须是2的n次幂（也可以不是2的n次幂哦），否则就失去了每次只变化一位的特性。深度为16的二进制及格雷码递变表如下：

Binary                 Gray

0          0000                  0000

1          0001                  0001

2          0010                  0011

3          0011                  0010

4          0100                  0110

5          0101                  0111

6          0110                  0101

7          0111                  0100

8          1000                  1100

9          1001                  1101

10         1010                  1111

11         1011                  1110

12         1100                  1010

13         1101                  1011

14         1110                  1001

15         1111                  1000

0          0000                  0000  

（2）空信号计算方法的妙处  

在rd_clk时钟域计算可读数据量以及empty信号，看图2会发现，实际rd_gap永远小于等于真实可读数据量，能够保证empty为0时永远不会发生空读现象，即afifo没有数据，也进行了读操作。

（3）满信号计算方法的妙处  

在wd_clk时钟域计算可写数据量以及full信号，看图2会发现，实际wr_gap永远小于等于真实可写数据量，能够保证full为0时永远不会发生写溢出现象，即full为0时，afifo可能存在空闲位置。

（4）格雷码转二进制代码  

function       [ADDR_WIDTH:0]   gray2bin;    //to change the gray code to bin code

   input       [ADDR_WIDTH:0]   gray_in;     //input gray code

   reg         [ADDR_WIDTH:0]   gray_code;   //reg gray

   reg         [ADDR_WIDTH:0]   bin_code;    //bin code result

   integer i,j;                              //integer

   reg tmp;                                  //tmp

   begin

       gray_code = gray_in;

       for(i=0;i<=ADDR_WIDTH;i=i+1)

           begin

           tmp=1'b0;

           for(j=i;j<=ADDR_WIDTH;j=j+1)

              tmp=gray_code[j]^tmp;

           bin_code=tmp;

           end

       gray2bin= bin_code;

   end

endfunction

（5）二进制转格雷码  

always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)

    if(~rd_rst_n)

        raddr_gray  <= {(ADDR_WIDTH + 1){1'b0}};

    else

        raddr_gray  <= raddr ^ {1'b0,raddr[ADDR_WIDTH:1]};