導(dǎo)讀：

異步FIFO包含"讀"和"寫(xiě)“兩個(gè)部分，寫(xiě)操作和讀操作在不同的時(shí)鐘域中執(zhí)行，這意味著Write_Clk和Read_Clk的頻率和相位可以完全獨(dú)立。異步FIFO的原理很簡(jiǎn)單，寫(xiě)操作是在寫(xiě)使能有效時(shí)，寫(xiě)地址指針（Write_Pointer）逐漸遞增，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器的相應(yīng)位置。讀操作是在讀使能信號(hào)有效時(shí)，讀地址指（Read_Pointer）逐漸遞增，從存儲(chǔ)器的相應(yīng)位置讀取數(shù)據(jù)。

但異步FIFO有一個(gè)難點(diǎn)就是—滿(mǎn)和空的產(chǎn)生。寫(xiě)操作，我們得判斷FIFO是不是滿(mǎn)了，滿(mǎn)了就不能繼續(xù)往里面寫(xiě)，不然就會(huì)覆蓋還沒(méi)取走的數(shù)據(jù)。對(duì)于讀操作，我們得判斷FIFO是不是空了，空了就不能接著取，不然舊的數(shù)據(jù)會(huì)被取多次。

觸發(fā)異步FIFO的滿(mǎn)和空，是拿讀和寫(xiě)的Pointer做比較得到的。問(wèn)題在于：寫(xiě)操作下的Write_Pointer和讀操作下的Read_Pointer屬于兩個(gè)不同的時(shí)鐘域信號(hào)。兩個(gè)不同的時(shí)鐘域信號(hào)是不能直接做運(yùn)算的，需要同步到同一個(gè)時(shí)鐘域之后才行，因?yàn)橛羞@個(gè)CDC同步器的開(kāi)銷(xiāo)，導(dǎo)致FIFO出現(xiàn) 真 滿(mǎn)空和 假 滿(mǎn)空。

接下來(lái)我們一起來(lái)看看標(biāo)準(zhǔn)異步FIFO的”真“滿(mǎn)空和“假“滿(mǎn)空如何產(chǎn)生，以及采用格雷碼異步FIFO跟標(biāo)準(zhǔn)FIFO有什么區(qū)別。（這里所謂標(biāo)準(zhǔn)異步FIFO是指不使用特殊編碼方式（如格雷碼）的異步FIFO，即使用常規(guī)的二進(jìn)制地址指針。）

標(biāo)準(zhǔn)異步FIFO

標(biāo)準(zhǔn)異步FIFO結(jié)構(gòu)如上圖，假設(shè)FIFO的深度為8，addr（地址范圍）為0 ~ 7。那么設(shè)計(jì)讀寫(xiě)地址指針都是4bit，即w_ptr[3:0]，r_ptr[3:0]，其中最高bit是擴(kuò)展位。ptr取值范圍是0 ~15,要比FIFO地址（addr）多一倍。為什么這么設(shè)計(jì)呢？因?yàn)闈M(mǎn)和空本質(zhì)上是讀和寫(xiě)指向了FIFO的同一個(gè)存儲(chǔ)單元，但是“空”是讀指針追上了寫(xiě)指針，“滿(mǎn)”是寫(xiě)指針超過(guò)了讀指針整整一圈。其中最高位就是用來(lái)確定是 “誰(shuí)追上了誰(shuí)”

如果兩個(gè)ptr低位全等，最高位不等，就是“滿(mǎn)”；

如果兩個(gè)Ptr低位全等，最高位相等，就是“空”。

如圖所示，將w_ptr通過(guò)CDC同步之后，送到讀時(shí)鐘域，得到w_ptr_syn，然后再將它和r_ptr作比較，就可以得到“空”信號(hào)，代碼如下：

assign empty = (w_ptr_syn[3:0]== r_ptr[3:0]);

同理，將r_ptr通過(guò)CDC同步之后，送到寫(xiě)時(shí)鐘域，得到r_ptr_syn，然后將它和w_ptr作比較，就可以得到滿(mǎn)信號(hào)，代碼如下：

assign full = (w_ptr[3] != r_ptr_syn[3]) && (w_ptr[2:0] == r_ptr_syn[2:0]);

大家覺(jué)得上面的代碼得到的滿(mǎn)和空是“ 真”滿(mǎn)空嗎？

答案是否定的。因?yàn)镃DC同步器本身也需要開(kāi)銷(xiāo)，一般簡(jiǎn)單的兩級(jí)同步器需要目標(biāo)時(shí)鐘域兩個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)我們判斷滿(mǎn)信號(hào)的時(shí)候，我們是在 寫(xiě)時(shí)鐘域 ，用w_ptr和同步過(guò)來(lái)的r_ptr_syn做比較。r_ptr_syn要比真正的r_ptr要滯后，導(dǎo)致判滿(mǎn)的邏輯并不完全準(zhǔn)確。當(dāng)FIFO接近滿(mǎn)的時(shí)候，full信號(hào)就會(huì)為1，從而阻止對(duì)FIFO繼續(xù)寫(xiě)入（腦補(bǔ)：“滿(mǎn)”意味著寫(xiě)比讀塊，寫(xiě)指針馬上趕上讀指針一圈，此刻還與滯后同步過(guò)來(lái)的讀指針比較，是不是快滿(mǎn)還沒(méi)滿(mǎn)時(shí)就滿(mǎn)足full條件了？）。同理，當(dāng)FIFO接近空，但是實(shí)際可能還沒(méi)空的時(shí)候，empty信號(hào)就會(huì)為1。

這種假滿(mǎn)空并不會(huì)導(dǎo)致FIFO的行為出錯(cuò)，只會(huì)導(dǎo)致FIFO的利用率并非百分百，相當(dāng)于FIFO的深度少了那么一兩層。

那么FIFO能得到真滿(mǎn)空嗎？

答案肯定是可以的。如果我們?cè)趯?xiě)時(shí)鐘域判斷“空”信號(hào)，在讀時(shí)鐘域判斷“滿(mǎn)”信號(hào)呢？（在寫(xiě)時(shí)鐘域，通過(guò)滯后的r_ptr_syn都得到了“空”信號(hào)，那說(shuō)明實(shí)際的r_ptr必然真的趕上了w_ptr，此刻FIFO絕對(duì)空了。在讀時(shí)鐘域，通過(guò)滯后的w_ptr_syn都得到了“滿(mǎn)”信號(hào)，那說(shuō)明實(shí)際的w_ptr必然真的超過(guò)了r_ptr一圈，此刻FIFO絕對(duì)滿(mǎn)了）。

assign empty_real = (w_ptr[3:0] == r_ptr_syn[3:0]);

assign full_real = (r_ptr[3] != w_ptr_syn[3]) && (r_ptr[2:0] == w_ptr_syn[2:0]);

這個(gè)“真”滿(mǎn)空信號(hào)，用到的時(shí)候并不多。但是理解“真”滿(mǎn)空和“假”滿(mǎn)空，是理解異步FIFO的基礎(chǔ)。

采用格雷碼的異步FIFO

采用格雷碼的異步FIFO判斷“滿(mǎn)”和“空”的原理沒(méi)變，跟標(biāo)準(zhǔn)FIFO是一樣的，即在寫(xiě)時(shí)鐘域判斷滿(mǎn)條件，在讀時(shí)鐘域判斷空條件：

如果兩個(gè)ptr低位全等，最高位不等，就是“滿(mǎn)”；

如果兩個(gè)Ptr低位全等，最高位相等，就是“空”。

只不過(guò)，地址指針采用的是格雷碼，如寫(xiě)地址指針：

assign nxt_wptr = (!full && wr_en) ? (wptr +1'b1):wptr;  

assign nxt_wptr_gray = (nxt_wptr >>1)^nxt_wptr;

判斷空條件：則在讀時(shí)鐘域，讀地址指針格雷碼 與 兩級(jí)同步過(guò)來(lái)后的寫(xiě)地址指針格雷碼（nxt_wptr_gray）進(jìn)行比較：

always@(posedge rclk or negedge rst_n)

begin

    if(!rst_n) begin

        wptr_sp1<=6'b0;

        wptr_sp2<=6'b0;

    end

    else begin

        wptr_sp1<=nxt_wptr_gray;

        wptr_sp2<=wptr_sp1;    

    end                        

end

assign empty=(rptr_gray==wptr_sp2);

同理，判斷滿(mǎn)條件：

assign full=(wptr_gray=={~rptr_sp2[3],rptr_sp2[2:0]});

理解到這兒，本質(zhì)上兩種FIFO似乎沒(méi)什么區(qū)別，那為什么要用格雷碼編碼呢？ 異步FIFO采用格雷碼的主要原因是為了減少在異步時(shí)鐘域中地址指針變化時(shí)可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性，從而增強(qiáng)異步FIFO的可靠性和穩(wěn)定性 。即使在亞穩(wěn)態(tài)進(jìn)行讀寫(xiě)指針抽樣也能進(jìn)行正確的空滿(mǎn)狀態(tài)判斷”。

下面兩張圖是采用格雷碼的異步FIFO觸發(fā)滿(mǎn)和空條件的截圖，從圖示可看出，4根標(biāo)紅的格雷碼地址指針 每一周期前后只有1位發(fā)生跳變，如wptr_gray:0010>0110>0111>0101>0100>1100>1101>1111>1110,這就是格雷碼的特性，保證了相鄰的兩個(gè)值只有一個(gè)位元發(fā)生變化，因此在變化時(shí)不會(huì)出現(xiàn)多個(gè)位同時(shí)變化，減少了不穩(wěn)定狀態(tài)的可能性。

滿(mǎn)條件

空條件

為什么2 進(jìn)制指針做空滿(mǎn)判斷存在不穩(wěn)定的可能呢？事實(shí)上 2 進(jìn)制讀指針在增減時(shí)，經(jīng)常發(fā)生多位突變，比如 6 位地址 111111 會(huì)在下一時(shí)刻變成 000000 ，在實(shí)際電路中，這個(gè)變化過(guò)程要持續(xù)很長(zhǎng)一段時(shí)間，會(huì)由 111111 經(jīng)歷 6 個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到達(dá) 000000 。比如 111111-> 101111 -> 100111 ->100110 -> 100100 -> 000100-> 000000 。由于寫(xiě)時(shí)鐘與讀時(shí)鐘不同步，異步的寫(xiě)時(shí)鐘很可能會(huì)在狀態(tài)不穩(wěn)定的中間某個(gè)狀態(tài)抽樣，這樣就會(huì)得到錯(cuò)誤的讀指針，進(jìn)而做出錯(cuò)誤的狀態(tài)判斷，導(dǎo)致系統(tǒng)異常。

當(dāng)采用格雷碼只有一個(gè)比特發(fā)生改變時(shí)，即使在中間狀態(tài)抽樣，其結(jié)果也不外乎兩種：遞增前原指針和遞增后新指針。如果抽樣到遞增后的指針，預(yù)期結(jié)果跟設(shè)計(jì)一致。如果抽樣到遞增前的原指針，最壞的情況就是把“不滿(mǎn)”判斷成了“滿(mǎn)”，但是這并不會(huì)對(duì)邏輯產(chǎn)生影響，只是帶來(lái)了寫(xiě)操作的延遲。

總結(jié)（兩種fifo的主要區(qū)別）

因此，標(biāo)準(zhǔn)范式的FIFO和采用格雷碼的FIFO都存在一定的可能出現(xiàn)假滿(mǎn)空。兩者有一些區(qū)別，主要涉及到地址指針的表示和更新方式。以下是這兩種FIFO的主要區(qū)別：

1. 地址指針的表示：
   • 標(biāo)準(zhǔn)范式的FIFO：常常使用二進(jìn)制表示的地址指針。這意味著每個(gè)存儲(chǔ)單元都有一個(gè)唯一的二進(jìn)制地址，用于指示數(shù)據(jù)在FIFO中的位置。
   • 采用格雷碼的FIFO：地址指針通常使用格雷碼來(lái)表示。格雷碼是一種二進(jìn)制碼，相鄰的兩個(gè)值只有一個(gè)位元發(fā)生變化。使用格雷碼可以減少地址指針在變化時(shí)的不穩(wěn)定性，從而減少在時(shí)鐘邊沿時(shí)的不穩(wěn)定狀態(tài)。
2. 地址指針的更新方式：
   • 標(biāo)準(zhǔn)范式的FIFO：地址指針在每個(gè)時(shí)鐘周期朝一個(gè)方向遞增或遞減，用于確定要讀取或?qū)懭氲奈恢谩Ｔ趯?xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，寫(xiě)指針增加；在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，讀指針增加。
   • 采用格雷碼的FIFO：格雷碼地址指針的更新方式相對(duì)復(fù)雜一些。格雷碼的特性使得在更新時(shí)只有一個(gè)位發(fā)生變化，這樣可以減少指針變化的不穩(wěn)定性。在讀寫(xiě)操作時(shí)，格雷碼地址指針的更新可能需要一些額外的邏輯。
3. 時(shí)序穩(wěn)定性：
   • 標(biāo)準(zhǔn)范式的FIFO：由于二進(jìn)制地址指針的性質(zhì)，通用FIFO在時(shí)序上需要額外的同步邏輯，以確保地址指針的穩(wěn)定傳遞。這尤其在不同時(shí)鐘域的情況下需要考慮。
   • 采用格雷碼的FIFO：格雷碼的特性減少了地址變化的不穩(wěn)定性，因此在一些時(shí)序方面可能更容易處理。但格雷碼的使用可能需要更多的邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)。

選擇使用哪種FIFO設(shè)計(jì)取決于具體的應(yīng)用需求和時(shí)序約束。格雷碼的FIFO在一些特定情況下可能提供一些優(yōu)勢(shì)，但也需要權(quán)衡設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。