异步FiFO原理及实现

异步FIFO主要用作跨时钟域的数据缓存，设计时的要点在于判断FIFO的空满状态。

一、代码中的重要参数
1、FIFO：First Input First Output，即先入先出队列，本质是RAM。
2、wr_clk：写时钟，所有与写有关的操作都是基于写时钟；
3、rd_clk：读时钟，所有与读有关的操作都是基于读时钟；
4、FIFO_WIDTH: FIFO的位宽，即FIFO中每个地址对应的数据的位宽；
5、FIFO_DEPTH: FIFO的深度，即FIFO中能存入多少个（位宽为FIFO_WIDTH的）数据；
6、full：FIFO发出的满信号，当FIFO满了之后，将full拉高；
7、empty：FIFO发出的空信号，当FIFO空了之后，将empty拉高；
8、wr_en：主机发送给FIFO的写使能，一般受制于FIFO发出的full信号，若full信号为高，一般主机会拉低写使能信号，防止新数据覆盖原来的数据；
9、rd_en：主机发送给FIFO的读使能，一般受制于FIFO发出的empty信号，若empty信号为高，一般主机会拉低读使能信号，防止从FIFO中读出不确定的数据。
二、判断空满状态

空：读快于写时，读指针追上写指针时，写入的数据被读完，写指针和读指针相同，FIFO为空。
满：当写快于读时，当写指针追上读指针，写入的数据比读出的数据多FIFO_DEPTH个，即写指针比读指针大一个FIFO_DEPTH时，此时FIFO为满。

格雷码：格雷码是一种安全码，因为相邻的格雷码只有一位不同，和二进制不同，二进制一般相邻的都有多位不同。格雷码在传输中，因为相邻只有一位不同，所以其误码率比二进制低得多。在同步时，出现亚稳态的概率也比二进制低。
二进制数转化为格雷码时最高位保留，其余从右到左相邻两位进行异或运算。
1、设计fifo时，让读写指针比读写地址多一位，称为标志位。对读写地址有没有影响。
2、使用格雷码的好处
当读写指针完全一样时为空，当读指针写指针除标志位之外完全一样为满。
3、空满信号的同步
因为空信号是对读操作有影响，所以，将空信号在rd_clk下同步（多采用两级寄存器）
因为满信号是对写操作有影响，所以，将满信号在wr_clk下同步（多采用两级寄存器）

跨时钟处理常见问题及解决方案
一般会遇到亚稳态、数据丢失等问题，简单介绍亚稳态及其解决办法。

1. 单比特信号

当时钟信号上升沿到来的时候正好采样的数据也在发生变化，但是对于采样的时钟信号，如果想要采样得到一个稳定值，在clk的上升沿的前一段时间有一个建立时间TSU和在clk的上升沿的后一段时间有一个保持时间Th，如果在这两个时间段内采样的信号D发生跳变的话，输出的信号Q就会出现0，1之间跳变的不稳定、不确定状态，从而对采样结果产生干扰，这就是亚稳态。
1、从慢时钟到快时钟
采用打两拍，也就是两级锁存器。
第一级寄存器即使出现亚稳态，也会在一个时钟周期内稳定下来，这样第二级寄存器就会采到的就是一个稳定的值。并不是说第二级寄存器所输出的第一个状态 就是输入的第一个状态，只能说第二个寄存器输出第一个的状态是稳定的，之后的状态是跟输入的状态保持一致的。从而将第二个寄存器输出的结果进行处理，这样可以消除亚稳态的影响。
2、快时钟到慢时钟
快时钟域的数据到慢时钟域，如果信号只有一个脉冲宽度，那信号可能会采集不到，此时采用握手协议来解决。
所谓握手，即通信双方使用了专用控制信号进行状态指示。
握手协议：这个控制信号既有发送域给接收域的，也有接收域给发送域的，使用握手协议方式处理跨时钟域数据传输，只需要对双方的握手信号（req和ack）分别使用打两拍进行同步。在具体实现中，假设req、ack总线在初始化时都处于无效状态，当发送域检测到脉冲信号pulse_a，使req信号有效，随后发送有效的req信号给接收域。
接收域在检测到有效的req信号后锁存数据总线，然后回送一个有效的ack信号表示读取完成应答。发送域在检测到有效ack信号后撤销当前的req信号，接收域在检测到req撤销后也相应撤销ack信号，此时完成一次正常握手通信。

首先将快时钟域的信号A进行展宽处理A.zhankuan，当收到握手结束时的反馈时结束展宽。
当收到慢时钟的脉冲信号pulse_a，A.zhankuan信号采用打两拍的方式传送到慢时钟域B.zhankuan。
B.zhankuan打两拍后传送到快时钟域，作为握手结束的反馈信号，此时结束A信号的展宽。
最后输出B.zhankuan。
缺点：就是将aclk的信号进行了扩展，两次的同步也增加了延时。

2. 多bit信号多位数据传输一般采用异步FIFO和格雷码。