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一种异步FIFO的设计方法

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

摘要:使用FIFO同步源自不同时钟域的数据是在数字IC设计中经常使用的方法,设计功能正确的FUFO会遇到很多问题,探讨了两种不同的异步FIFO的设计思路。两种思路都能够实现功能正确的PIFO。
  关键词:异步FIFO握手同步二进制格雷码
  
  本文所研究的FIFO,从硬件的观点来看,就是一块数据内存。它有两个端口,一个用来写数据,就是将数据存入FIFO;另一个用来读数据,也就是将数据从FIFO当中取出。与FIFO操作相关的有两个指针,写指针指向要写的内存部分,读指针指向要读的内存部分。FIFO控制器通过外部的读写信号控制这两个指针移动,并由此产生FIFO空信号或满信号。
  
  对于异步FIFO而言,数据是由某一个时钟域的控制信号写入FIFO,而由另一个时钟域的控制信号将数据读出FIFO。也就是说,读写指针的变化动作是由不同的时钟产生的。因此,对FIFO空或满的判断是跨时钟域的。如何根据异步的指针信号对FIFO的满状态或空状态进行正确的判断是本文研究的重点。此外,设计过程中的一些细节问题也将在文中涉及到。
  
  1指针以及满空信号的产生
  
  为了更好地说明问题,先探讨一下同步FIFO指针移动以及满空信号的产生过程。对于同步FIFO,读写指针都指向一个内存的初始位置,每进行一次读写操作,相应的指针就递增一次,指向下一个内存位置。当指针移动到了内存的最后一个位置时,它又重新跳回初始位置。在FIFO非满或非空的情况下,这个过程将随着读写控制信号的变化一直进行下去。如果FIFO处于空的状态,下一个读动作将会导致向下溢出(underflow),一个无效的数据被读人;同样,对于一个满了的FIFO,进行写动作将会导致向上溢出(overflow),一个有用的数据被新写入的数据覆盖。这两种情况都属于误动作,因此需要设置满和空两个信号,对满信号置位表示FIFO处于满状态,对满信号复位表示FIFO非满,还有空间可以写入数据;对空信号置位表示FIFO处于空状态,对空信号复位表示FIFO非空,还有有效的数据可以读出。
  
  当读指针和写指针相等也就是指向同一个内存位置的时候,FIFO可能处于满或空两种状态。可以通过不同的方法判断或区分FIFO究竟是处于满状态还是空状态,也就是究竟是写指针从后赶上了读指针,还是读指针从后赶上了写指针。本文所应用的方法是设置一个额外的状态位,指针由它的地址位以及状态位组成。地址位随着相应的操作递增,指针由内存的最后位置返回到初始位置的时候状态位取反。因此,当读写指针的地址位和状态位全部吻合的时候,读写指针经历了相同次数的循环移动,也就是说,FIFO处于空状态(图1(a));如果读写指针的地址位相同而状态位相反,写指针比读指针多循环一次,标志FIFO处于满状态(图1(b))。
  
  2二进制指针和格雷码指针的同步
  
  二进制指针是由一位状态位和若干位二进制编码的地址位组成的(例如由三位地址和一位状态位构成的指针的变化:0000→0001→0010→0011→0100→0101→0110→0111→1000→1001→1010→1011→1100→1101→1110→1111)。如果在不同的时钟域内直接同步二进制指针,有可能产生问题。例如,当读指针从0111向1000变化的时侯,指针所有的位都要变化,如果写时钟恰好在读指针的变化时刻采样,写者得到的读指针值有可能是从

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