异步FIFO设计的一些注意事项

Posted 2020-08-12 skyworks

异步FIFO的结构基本上是是按照下面的思路来设计：

1. 读写的指针分别用gray code sync到另外一个clock domain，sync的时候至少打2拍。

2. 读写指针最高位各加一个bit用来判断空和慢，对于FIFO来说，永远是读指针追写指针，当指针相同的时候，用加的这个最高bit来

    判断是谁追上谁，继而判断空和满。

 

除了上面的设计要点，还有以下几点需要注意：

1. 当两个时候频率差别很大时

• 快时钟的读/写指针sync到慢时钟时，gray code就不是按照1次变化1个bit的方式进行了，而是有可能一次变化好几个bit，这样gray code的好处就体现不出来了
• 对于这种情况，我们先分析一下对于空满标志的影响，先假设写时钟慢，读时钟快的情况，如果在sync的时候不会出现亚稳态，那么sync到写时钟的读指针永远是1个写时钟period之前的值，也就是说永远是较早的值，这样对于满的判断就会比较保守，也就永远不会出错
• 接着上面的分析，如果在第一级sync register（cycle 1）中出现了亚稳态，表示在cycle 1的时刻，读时钟也在变化，这个变化肯定导致至少读了一个数据出去了，cycle 1时刻，写与不写是基于上一个时钟采样的值判断的，也就是说在这个读数据操作发生之前的情况，所以在cycle 2的时候，这个错误的亚稳态sync到写时钟域中，如果这个错误的值导致full产生，这样不会导致错误发生，但会导致效率降低，如果这个错误的值没有导致full的产生，写动作继续，也不会发生错误，因为这之前读动作至少发生一次，所以写不会覆盖数据，因此，不管怎样，都不会出错
• 那如果下一拍还是亚稳态呢？没关系，还是按照之前的分析，读操作又发生了至少一次了，所以下一次再写也不会覆盖数据，因此不管发生几次亚稳态，由于发生亚稳态的时刻必定是在读指针变化的时候，这个时刻肯定发生读了，所以就会腾出空间来写，而full的判断是在之后1个cycle发生的，所以才不会导致数据被覆盖，也就是说，在full等于1的时候，sync过来用于判断的读时钟在第一级sync register的时候必定是稳定的，不可能产生亚稳态。
• 当sync register基数大于2时，也不会产生错误，但是会导致空满判断延迟更多，效率降低

2. 怎么在写端判断有多少个空间可写，以及在读端判断有多少个数据可读呢

• 用sync过来的写指针判断肯定不行，设想如果发生亚稳态，那么sync过来的数据对于空满判断结果不会导致数据出错，但是用来计算具体个数的话，肯定会出现偏大或者偏小的情况，如果你用这个数据来做一些trigger的话，肯定会导致错误情况发生，即使错误概率很低。
• 有人可能会说我对sync过来的指针采集连续几拍进行判断，如果递增就OK，如果出现先递增，后变小就是假的，这个数据我就不用，这样也不行，也有概率会出错，比如两次连续亚稳态都是偏大，而且都是递增呢？
• 这个时候我觉得可靠的办法就是在写端记录写了多少个数据，到了一个阈值后，就利用电平双握手传递到读，然后启动trigger，在读端也一样，先counter读走多少个数，到一定阈值以后也用电平双握手传递到写端。