FPGA基础学习(11) -- FIFO设计（style#1）

Posted 2020-11-26 rouwawa

FIFO是跨时钟域数据传输中常用的缓存器。一般情况下，自己设计的异步FIFO（无特殊说明以下均简称FIFO）虽然能应付90~99%的场景，但是由于设计缺陷，导致在1%的极端情况下会出问题，还不容易发现，所以设计合理的FIFO至关重要。

对于同步FIFO，因为读写属于同一时钟域，可以直接采用计数的方式来计算FIFO存储空间的动态变化，但是异步FIFO不能这么操作，因为读写时钟域完全有可能频率差异比较大，并且会面临暂稳态的问题。其实FIFO的设计要点，归根结底是设计正确的空/满信号。即数据写满的时候，写时钟域能及时接收到满信号，停止写入；数据读空的时候，读时钟域能及时接收到空信号，停止读出。

学习《Clifford_E._Cummings》经典论文集中的有关异步FIFO的论文，其中介绍了2种FIFO设计方案，本文是源于论文《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》中介绍的style#1。论文中引入了一种跨时钟域同步格雷码进行比较的方式来判断空/满。

1. 异步指针

首先来建立对指针的基本认识。

我们知道FIFO实际上由一个异步RAM作为基本的存储单元，再配合外面的控制逻辑实现的。控制逻辑中最重要的就是指针，了解计算机体系结构的都知道，指针无非就是指向存储空间的一个标识。

如上图所示为一个深度为16的FIFO指针示意图。一个FIFO含有一个写指针raddr[3:0]和一个读指针waddr[3:0]。在FIFO中注意以下两点：

• 读指针指向当前要读取的数据位置（空间）；
• 写指针指向下一个要写入的位置（空间），即下一个数据来的时候才写入该空间；

读写指针在工作中呈现“你追我赶”的情形。比如当raddr = 0，waddr = 7时，代表FIFO中存有7个数据。当raddr追上waddr时，即 raddr = waddr = 7，代表刚才写入的7个数据被读走，此时FIFO为空。在复位这种特殊的情况下，raddr和waddr的初始状态均为0，此时FIFO显然也为空。

假设此时只写入数据，当写到地址15（1111）时，继续写入数据，指针增加会翻转到地址0（0000），当写入到waddr = 7时，读指针也在该位置，即raddr = waddr = 7，此时显然存储空间已满。

那么当raddr = waddr时，到底是空还是满？所以设计中引入“补位”指针的概念，增加一位最高位，代表指针是否经过了一个轮询（翻转）。所以上述指针地址变为5位，当写指针从地址15翻转到0时，指针实际上是从01111变为10000。此时写指针最高位1 代表翻转一次，读指针的最高位依然是0。

因此，我们判断空满的条件是：空的时候全相等，满的时候最高位不等，其余位相等。

2. 格雷码计数

在上节的例子中，我们提到了二进制编码指针的翻转问题，即15->0（1111->0000），在一个写入周期中指针的数据位翻转了4次，在实际使用中这无疑会增加风险，因为4 bit的数据走线延迟不一致，导致同一采样时钟沿上可能在某一位上出现暂稳态。因此，论文提出了一种格雷码指针的编码的方式（格雷码在FIFO设计中还有其他优势，后面再讨论）。

如上图所示，给出了0-15的格雷码，按照上一节提到的最高位补位指示空满的原则，4位格雷码指针可以设计深度为8的FIFO。

假设存储空间位置为0-7，rptr = wptr = 7（0100）时，表示写入的8个数据全部被读出，此时FIFO为空。继续写入1个数据，写指针变为8（1100），按照上一节的结论，当读写指针的最高位不同，其余位相同时，FIFO为满。显然，这一结论在格雷码使用过程中出现了问题。因为从空间7到8，才写入了1个数据，它怎么可能满。

观察格雷码的编码形式可以发现，除最高位以为，0-7和8-15是关于中间位置的“镜像对称”，即除最高位外，7和8一致，6和9一致……0和15一致，如上图所示。假设我们把8-15的次高位取反会出现一种什么样的情况？继续按照上面的例子假设，当rptr = wptr = 7 时，FIFO为空。继续写数据，当格雷码变为1100（次高位取反后的15），表示FIFO中又写入了8个数据，这时候FIFO才是真正的满了。此时rptr =0100，wptr = 1100，此时满足最高位不同，其余位相同，则表示满的原则，但前提是次高位已经取了反。所以综上所述，使用格雷码采用的比较原则是“最高位和次高位不同，其余位相同，则表示FIFO满”。

总结一下，使用格雷码判断空满，原则是：

• 格雷码各位完全相同，代表空；
• 最高位和次高位不同，其余位相同，代表满

3. 如何操作空/满

上两节得出了通过判断补位格雷码的关系来操作空/满，具体操作肯定是读指针的格雷码和写指针的格雷码进行比较，但是因为读写时属于两个不同的时钟域，两者的时钟频率可能差异很大，具体如何实现呢？显然一个指针肯定要同步到对方时钟域上进行比较。先给出论文的设计：

• “空”：读时钟域中，比较读指针和同步过来的写指针，如果两指针相同 ，为“空”；
• “满”：写时钟域中，比较写时钟和同步过来的读指针，如果两指针最高位和次高位不同，其余位相同，为“满”；

因为是跨时钟域，所以会涉及到读写时钟差异的问题，论文中对两个读者感到疑惑的问题进行了解答

- 问题1：同步格雷码的过程中变化了2次，但只有一次被对方时钟域采集到，会不会造成多位同步出错的问题？

（ps：实际上对原位的问题和解答翻译理解不到位，此处只能我的理解简单说一下）

答案是不会出问题。当然如果在慢时钟上升沿采样的过程中，快时钟域的格雷码发生变化，比如会出一些问题。但是这是另外一个层面的问题（时序暂稳态问题）。实际的问题是，如果快时钟域的格雷码变化了两次或多次，但是慢时钟只采集到第二次的结果，是不产生问题的。因为第一次格雷码的变化已经代表操作正常完成（不管是读还是写），第二次变化仅仅表示当前的状态，就判断当前状态即可。（语无伦次了……算了，这个问题过掉，不清楚作者表达）

- 问题2：假设写时钟频率更高，写指针在与读指针比较的时候，还没来得及产生满信号，写这一头还在不停的写入数据，会不会造成上溢出？（读空是同样的道理）

（ps：这个问题是FIFO操作最常见的问题）

答案是不会出问题。解答这个问题，我们让深刻理解本节开头的原则，即“空信号是在读时钟域产生，满信号是在写时钟域产生”。

首先，我们要明确FIFO的使用场景，不会是连续数据的跨时钟域传输，因为这样必然会丢掉部分数据。所以必然是块数据传递，要么写快读慢，要么写慢读快。

在写快读慢的情形，担心满信号没有及时产生，导致写溢出。满信号是在写时钟域产生，即读指针同步到写时钟域，这个时候写指针是不可能越过读指针的，要么就最高位和次高位不同，其余位相等，产生满信号，这时候立刻停止写入数据了。

那就又有疑问了，在比较指针的时候，读时钟域继续再读，可能读出几个数据了，这个时候产生满信号合适吗？这就是文章中所说的“虚满”，虚满无法就是FIFO空出了几个空间而已，不会导致数据出问题，这是一种保守的设计方法。

同理，读的时候也不会出现，下溢出的情况。但也有“需空”情形。

4. 仿真结果

论文中有详细的源码。为了便于理解其中指针的变化，写了段测试代码用于仿真观察。testbench先写满，再读空，再边写边读。

   module fifo1_sim();
    parameter DSIZE = 8;
    parameter ASIZE = 3;
    
    wire  [DSIZE-1:0] rdata;
    wire              wfull;
    wire              rempty;
    
    reg   [DSIZE-1:0] wdata;
    reg   winc, wclk, wrst_n;
    reg   rinc, rclk, rrst_n;
    
    reg             wr_en;
    reg             rd_en;
    reg             wr_rd;
    
    initial begin
        wrst_n = 1'b0;
        rrst_n = 1'b0;
        #50;
        wrst_n = 1'b1;
        rrst_n = 1'b1;
    end

    initial begin
        wclk = 1'b0;
        #10;
        forever #5 wclk =~wclk;
    end
    
    initial begin
        rclk = 1'b0;
        #10;
        forever #10 rclk =~rclk;
    end

    
    initial begin
        wr_en = 1'b0;
        rd_en = 1'b0;
        wr_rd = 1'b0;
        #100;
        wr_en = 1'b1;
        rd_en = 1'b0;
        wr_rd = 1'b0;
        #150 
        wr_en = 1'b0;
        rd_en = 1'b1;
        wr_rd = 1'b0;
        #200
        wr_en = 1'b0;
        rd_en = 1'b0;
        wr_rd = 1'b1;
        #200 
        wr_en = 1'b0;
        rd_en = 1'b0;
        wr_rd = 1'b0;
    
    end
    
    always @(posedge wclk or negedge wrst_n) begin
        if(wrst_n == 1'b0) begin
            wdata <= 8'h10;
            winc <= 1'b0;
        end else if(wr_en) begin
            wdata <= wdata + 8'd1;
            winc <= 1'b1;
        end else if(wr_rd) begin
            wdata <= wdata + 8'd1;
            winc <= 1'b1;
        end else begin
            wdata <= wdata;
            winc <= 1'b0;
        end
    end
    
     always @(posedge rclk or negedge rrst_n) begin
        if(rrst_n == 1'b0) begin
            rinc <= 1'b0;
        end else if(rd_en) begin
            rinc <= 1'b1;
        end else if(wr_rd) begin
            rinc <= 1'b1;
        end else begin
            rinc <= 1'b0;
        end
    end
    
    
fifo1 #( DSIZE,ASIZE) 
fifo1_i
(
    .rdata  (rdata),
    .wfull  (wfull),
    .rempty (rempty),
    
    .wdata  (wdata),
    .winc   (winc), 
    .wclk   (wclk), 
    .wrst_n (wrst_n),
    .rinc   (rinc), 
    .rclk   (rclk), 
    .rrst_n (rrst_n)
);



endmodule

仿真图如下：

5. 特别说明

• 原文有很多细节描述，实际上并不是理解很透彻。如问题1，还有比较二进制编码和格雷码优劣的论述。
• 该篇论文（V1.2）感觉有问题，源代码实现的应该是style#2的框图，如下图所示，即二进制编码驱动RAM的地址，格雷码进行指针比较。多说一句，源码中格雷码和RAM的地址是一一对应的标识关系，格雷码不是地址，只是对地址空间的一个描述，用于跨时钟域比较。
• 网上有帖子争论较大的是，要是读写时钟频率差距过大，比较1000倍，FIFO会不会出问题？从论文的角度分析，不会出问题（可以展开讨论）。从而牵扯另外的一个话题，FIFO最小深度的计算。