1、異步FIFO

在ASIC設計或者FPGA設計中，我們常常使用異步fifo（first in first out）（下文簡稱為afifo）進行數據流的跨時鐘，可以說沒使用過afifo的Designer，其設計經歷是不完整的。廢話不多說，直接上接口信號說明。

2、afifo接口信號說明

如下表格為常見的afifo接口信號，非必須指的部分場景的afifo可能不存在此信號。不同公司對afifo接口的設計可能不一樣，但是基本都包含了如下接口：wr表示write，寫側時鐘域信號，rd表示read，讀側時鐘域信號。

3、設計原理

為了方便描述，本章節將以深度為8的afifo進行講解，其中讀寫地址位寬為3，格雷碼地址位寬為4。

圖1 afifo結構圖（來自eetop ThinkSpark）

圖2：讀寫地址計算圖

（1）存儲模塊：

中間區域為memory存儲模塊，用于存儲數據data，要么是1R1W的ram，要么是普通的寄存器。項目自研代碼中，存儲模塊通常使用1R1W的ram，其需要memory生成器生成，需要與制造工藝匹配。而在soft IP中，針對小規格的afifo，為了方便，常常使用寄存器作為afifo的存儲。

（2）寫地址產生邏輯

寫地址waddr在wr_clk時鐘域產生，有兩個作用，作為存儲模塊的寫地址并且產生格雷碼waddr_gray。此種需要注意：waddr是遞增的，且會翻轉。如果afifo深度為8（n），則waddr位寬為3(log2(n) )，waddr計數到7后，再次寫入則翻轉為0。

（3）讀地址產生邏輯

讀地址raddr在rd_clk時鐘域產生，有兩個作用，作為存儲模塊的讀地址并且產生格雷碼raddr_gray。此種需要注意：raddr是遞增的，且會翻轉。如果afifo深度為8（n），則raddr位寬為3(log2(n) )，raddr計數到7后，再次讀出則翻轉為0。

（4）讀地址同步

使用2級或者3級單bit同步器Synchronizer將讀地址格雷碼raddr_gray同步到wr_clk時鐘域得到raddr_gray_sync，raddr_gray_sync進行格雷碼逆轉成二進制編碼得到raddr_sync，用于產生將滿信號和滿信號。

在fpga設計中，2級單bit同步器Synchronizer就是2個串聯的寄存器，在ASIC設計中，通常是定制的cell（會將兩個/三個寄存器擺放靠得很近）。

（5）寫地址同步器

使用2級或者3級單bit同步器Synchronizer將寫地址格雷碼waddr_gray同步到rd_clk時鐘域得到waddr_gray_sync，waddr_gray_sync進行格雷碼逆轉成二進制編碼得到waddr_sync，用于產生將空信號和空信號。

（6）滿信號產生邏輯

此模塊首先計算在wr_clk時鐘域的剩余可寫afifo深度，即wr_gap[3:0]=raddr_sync[2:0]+4’d8（FIFO深度）-waddr[2:0]，然后根據wr_gap[3:0]產生amost_full和full信號

always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)
    if(~wr_rst_n)
        full <= 1'b0;
    else
        full <= (!(|wr_gap)) || ((wr_gap==1)&wr_en);

always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)
    if(~wr_rst_n) 
        begin
            almost_full <= 1'b0;
        end
    else
        begin
            if( wr_data_cnt>=cfg_almost_full_value )
                    almost_full <= 1'b1;
            else
                    almost_full <= almost_full;
        end

（7）空信號產生邏輯

此模塊首先計算在rd_clk時鐘域的可讀afifo深度，即assign {ovf_nc1,rd_gap} = waddr_sync - raddr，然后根據rd_gap[3:0]產生empty信號。

always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)
    if(~rd_rst_n)
        empty <= 1'b1;
    else 
        empty <= (!(|rd_gap)) || ((rd_gap==1)&rd_en);? ? ? ? ?

4、重點說明

（1）格雷碼的優勢

格雷碼的特點就是在遞增，遞減，或者翻轉過程中，只會有1個bit位發生變化。因此單bit同步器Synchronizer同步后，只有存在變化的那一個bit可能會發生亞穩態。即使發生了亞穩態，體現的結果要么是0，要么是1，在格雷碼上的同步效果就是當前clk周期沒有同步（相當于delay了一個目的周期）到或者當前周期已采樣到。

同時它也有自己的局限性，那就是循環計數深度必須是2的n次冪（也可以不是2的n次冪哦），否則就失去了每次只變化一位的特性。深度為16的二進制及格雷碼遞變表如下：

Binary Gray

0 0000 0000

1 0001 0001

2 0010 0011

3 0011 0010

4 0100 0110

5 0101 0111

6 0110 0101

7 0111 0100

8 1000 1100

9 1001 1101

10 1010 1111

11 1011 1110

12 1100 1010

13 1101 1011

14 1110 1001

15 1111 1000

0 0000 0000

（2）空信號計算方法的妙處

在rd_clk時鐘域計算可讀數據量以及empty信號，看圖2會發現，實際rd_gap永遠小于等于真實可讀數據量，能夠保證empty為0時永遠不會發生空讀現象，即afifo沒有數據，也進行了讀操作。

（3）滿信號計算方法的妙處

在wd_clk時鐘域計算可寫數據量以及full信號，看圖2會發現，實際wr_gap永遠小于等于真實可寫數據量，能夠保證full為0時永遠不會發生寫溢出現象，即full為0時，afifo可能存在空閑位置。

（4）格雷碼轉二進制代碼

function       [ADDR_WIDTH:0]   gray2bin;    //to change the gray code to bin code


   input       [ADDR_WIDTH:0]   gray_in;     //input gray code
   reg         [ADDR_WIDTH:0]   gray_code;   //reg gray 
   reg         [ADDR_WIDTH:0]   bin_code;    //bin code result
   integer i,j;                              //integer
   reg tmp;                                  //tmp
   begin
       gray_code = gray_in;
       for(i=0;i<=ADDR_WIDTH;i=i+1)
           begin
           tmp=1'b0;
           for(j=i;j<=ADDR_WIDTH;j=j+1)
              tmp=gray_code[j]^tmp;
           bin_code[i]=tmp;
           end
       gray2bin= bin_code;
   end
endfunction 

（5）二進制轉格雷碼

always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)
    if(~rd_rst_n)
        raddr_gray  <= {(ADDR_WIDTH + 1){1'b0}};
    else
        raddr_gray  <= raddr ^ {1'b0,raddr[ADDR_WIDTH:1]};

5、結束語

Afifo代碼寫出來還不夠，還需要設置約束條件，后期我們會再講講afifo的格雷碼如何約束。