异步FIFO（一）

​一、FIFO简单讲解

FIFO是英文First In First Out 的缩写，是一种先进先出的数据缓存器，可分为同步FIFO和异步FIFO，同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟，在时钟沿来临时同时发生读写操作，常常用于交互数据缓冲。异步FIFO是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的，异步FIFO常用于跨时钟域交互。

重要参数

• FIFO的深度：通俗地说，就是异步FIFO可以存多少个数据的意思！

• FIFO的宽度：上面说FIFO的深度是表示能存放多少数据的概念，那宽度便是每个数据有多少位，也就是我们通常所说的数据有多宽！

• FIFO空：表示FIFO里面数据被读完了；

• FIFO满：表示FIFO里面填满了数据；

• FIFO写指针：总是指向下一个将要被写入的单元，复位时，指向第1个单元(编号为0)；

• FIFO读指针：总是指向当前要被读出的数据，复位时，指向第1个单元(编号为0)；

• FIFO读时钟：表示读取数据使用的时钟，一般设计时钟的上升沿为有效沿，有效沿读取数据；

• FIFO写时钟：表示写入数据时使用的时钟，一般上升沿为有效沿，当然也可以设计下降沿为有效沿。

  （同步FIFO的读写时钟一致）

先从简单的同步FIFO讲起，以和异步FIFO的设计做比较。

同步FIFO的设计根据空满信号判断的方式主要分为两种：

一：利用计数器来判断空满。

二：将FIFO的地址位拓展一位，用最高位来判断空满。

一：利用计数器来判断空满

空满检测逻辑：

为产生FIFO空满标志，引入FIFO Counter计数器，FIFO Counter寄数器用于指示FIFO内部存储数据个数；

  1）当只有写操作时，FIFO Counter加1；只有读操作时，FIFO Counter减1；其他情况下，FIFO Counter不变；

  2）当FIFO Counter=0时，说明FIFO为空，fifo_empty置位；

  3）当FIFO Counter=FIFO_DEPTH时，说明FIFO已满，fifo_full置位；

读写控制逻辑

 在clk上升沿时，读使能且FIFO非空（empty=0）时，进行一次读操作，rp加1（即顺序读出），将读指针rp对应地址处的数据读出至dout；

 在clk上升沿时，写使能且FIFO不满（full=0）时，进行一次写操作，wp加1（即顺序存储）；将din写入写指针wp对应地址处；

设计代码如下：

二：将FIFO的地址位拓展一位，用最高位来判断空满。

空满检测逻辑：

空：扩展位相同，有效地址位也相同。

满：扩展位不同，有效地址为不同。

如何理解？

当读写指针相等时，表明FIFO为空，这种情况发生在复位操作时，或者当读指针读出FIFO中最后一个字后，追赶上了写指针。

当读写指针再次相等时，表明FIFO为满，这种情况发生在，当写指针转了一圈，折回来(wrapped around)又追上了读指针。

需要注意的是：在系统正确工作的前提下，读地址不可能超前于写地址。

为了区分到底是满状态还是空状态，需要：在地址指针中添加一个额外的位。

--如果两个指针的MSB不同，说明写指针比读指针多折回了一次；如r_addr=000,而w_addr = 100,FIFO为满。

--如果两个指针的MSB相同，则说明两个指针折回的次数相等。其余位相等，说明FIFO为空；

给出图以供理解：假设FIFO深度为4，有效地址为2位。

设计代码如下：

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