高速異步FIFO的設計與實現

　　引言

　　現代集成電路芯片中，隨著設計規模的不斷擴大．一個系統中往往含有數個時鐘。多時鐘帶來的一個問題就是，如何設計異步時鐘之間的接口電路。異步FIFO(First In First Out)是解決這個問題的一種簡便、快捷的解決方案。使用異步FIFO可以在兩個不同時鐘系統之間快速而方便地傳輸實時數據．在網絡接口、圖像處理等方面，異步FIFO都得到廣泛的應用。異步FIFO是一種先進先出的電路，使用在數據接口部分，用來存儲、緩沖在兩個異步時鐘之間的數據傳輸。在異步電路中，由于時鐘之間周期和相位完全獨立，因而數據的丟失概率不為零。如何設計一個可靠性高、速度高的異步FIFO電路便成為一個難點。

　　1 異步FIFO的工作原理及邏輯框圖

　　本文根據實際工作的需要．給出了一種利用片內RAM構造FIFO器件的設計，重點強調了設計有效．可靠的握手信號FULL和EMPTY的方法。并在LATTICE公司的FPGA芯片LFXP2-5E上實現。LFXP2-5E屬于LATIICE公司XP2系列的一款，他采用優化的FlexiFLASH結構。內部包含有基于查找表的邏輯、分布式和嵌入式存儲器，鎖相環(PLL)。工程預制的源同步I／0以及增強的SysDSP塊。有166Kbits的EBRSRAM。利用其內部的EBRSRAM可以實現一定容量的異步FIFO．而無需單獨購買FIF0器件。

　　由圖1可以看出：異步FIFO一般由四個模塊構成：數據存儲單元，寫地址產生模塊，讀地址產生模塊，標志位產生模塊。整個系統分為兩個完全獨立的時鐘域—讀時鐘域和寫時鐘域：在寫時鐘域部分由寫地址產生邏輯產生寫控制信號和寫地址：讀時鐘域部分，由讀地址產生邏輯產生讀控制信號和讀地址；在標志位產生模塊部分，由讀寫地址相互比較產生空／滿標志。異步FIFO的操作過程為：在寫時鐘的上升沿．當寫使能有效時，將數據寫入到雙口RAM中寫地址對應的位置中：在讀時鐘的上升沿，當讀使能有效時。則按先進先出順序讀出數據。在FIFO寫滿或讀空的情況下。分別對滿標志FuLL或空標志EMPTY信號置位。來表示FIFO的兩種特殊狀態。

圖1異步FIFO邏輯框圖

　　2 異步FIFO的VHDL實現讀時鐘

　　2．1 FIFO設計的難點

　　如何同步異步信號，使觸發器不產生亞穩態是設計異步FIFO的難點。國內外解決此問題的較成熟辦法是對寫地址膜地址采用格雷碼，本文也直接采用格雷碼。異步FIFO設計的另一個難點是如何判斷FIFO的空/滿狀態。為了保證數據正確的寫入或讀出。必須保證異步FIFO在滿的狀態下．不能進行寫操作：在空的狀態下不能進行讀操作。通常情況下將存儲器組織成一個環形鏈表。

　　滿/空標志產生的原則是：寫滿不溢出．讀空不多讀。即無論在什么情況．都不應出現讀寫地址同時對一個存儲器地址操作的情況。在讀寫地址相等或相差一個或多個地址的時候，滿標志應該有效。表示此時FIFO已滿，外部電路應停止對FIFO發數據。在滿信號有效時寫數據應根據設計的要求，或保持、或拋棄重發。同理，空標志的產生也是如此。為了更好的判斷滿／空標志。采用在FIFO原來深度的基礎上增加一位的方法，而由該位組成的格雷碼并不代表新的地址。也就是說3位格雷碼可表示8位的深度，若再加一位最高位MSB，則這一位加其他三位組成的格雷碼并不代表新的地址，也就是說格雷碼的0100表示7，而1100仍然表示7，只不過格雷碼在經過一個以0位MSB的循環后進入一個以1為MSB的循環，然后又進入一個以0位MSB的循環。其他的三位碼仍然是格雷碼。舉例說明：一個深度為8字節的FIFO怎樣工作(使用已轉換為二進制的指針)，N=3，指針寬度為N+I=4。開始rd_ptr_bin和wr_ptr_bin均為“0000”。此時FIFO中寫入8個字節的數據。wr_ptr_bin=“1000",rd_ptr_bin=“0000”。當然，這就是滿條件。現在，假設執行了8次的讀操作．使得rd_ptr_bin=“1000”，這就是空條件。另外的8次寫操作將使wr_ptr_bin等于“0000”，但rd_ptr_bin仍然等于“1000”，因此，FIFO為滿條件。

　　由以上可知。滿標志的產生條件為：寫指針趕上讀指針．即寫滿后，又從零地址開始寫直到趕上讀指針，這時期讀寫指針的最高位不同，其他位相同，這就是滿條件?？諛酥镜漠a生條件為：復位或者是讀指針趕上寫指針．即在寫指針循環到第二輪時讀指針趕上寫指針，這時讀寫指針的高低位均相同，這就是空條件。

　　2．2異步F1F0的VHDL語言實現

　　以下為本程序的核心部分

　　程序1格雷碼計數器的實現

　　3 仿真驗證

　　基于以上的分析結合實際本文構造了一個8192x8的FIFO，用MODELSIM進行仿真。對該異步FIFO編寫測試向量進行仿真，如圖2所示。

圖2仿真波形圖

　　圖2中，WClk為寫時鐘，Writeen_in為寫使能，Full_out為滿信號，Data_in為數據入，RClk為讀時鐘，ReadEn_in為讀時能，Empty_out為空信號，Data_out為數據出，Clear_in為系統清零信號。上面部分為寫地址產生模塊部分的信號波形，從圖2中可以看出．在寫時鐘的上升沿．在寫時能為高有效期間擻據開始輸入到RAM里面，而在讀時鐘的上升沿，在讀時能有效時，在本仿真時間的195ns處．開始輸出數據。將程序下載到LATTICE公司的FPGA芯片中，經過測試驗證，系統的時鐘頻率可達33MHz。

　　4 總結

　　本文主要研究了用FPGA芯片實現異步FIFO的一種方法。詳細闡述了空，滿標志信號的產生方法。按照以上思想所設計的異步FIFO已經在實際電路中得到了應用。實踐證明他可以解決大多數異步FIFO電路常見的錯誤。同時增加了系統的可靠性和應用靈活性。

　　本文作者創新點：通過對FPGA芯片內部EBRSRAM的深入研究．提出了一種利用格雷碼對地址進行編碼的異步FIFO設計方案。實踐證明．增加了系統可靠性和應用靈活性。