跨时钟设计：异步FIFO设计

1、异步FIFO

在ASIC设计或者FPGA设计中，我们常常使用异步fifo（first in first out）（下文简称为afifo）进行数据流的跨时钟，可以说没使用过afifo的Designer，其设计经历是不完整的。废话不多说，直接上接口信号说明。

2、afifo接口信号说明  

如下表格为常见的afifo接口信号，非必须指的部分场景的afifo可能不存在此信号。不同公司对afifo接口的设计可能不一样，但是基本都包含了如下接口：wr表示write，写侧时钟域信号，rd表示read，读侧时钟域信号。

3、设计原理   

为了方便描述，本章节将以深度为8的afifo进行讲解，其中读写地址位宽为3，格雷码地址位宽为4。

图1 afifo结构图（来自eetop ThinkSpark）

图2：读写地址计算图

（1）存储模块：  

中间区域为memory存储模块，用于存储数据data，要么是1R1W的ram，要么是普通的寄存器。项目自研代码中，存储模块通常使用1R1W的ram，其需要memory生成器生成，需要与制造工艺匹配。而在soft IP中，针对小规格的afifo，为了方便，常常使用寄存器作为afifo的存储。

（2）写地址产生逻辑  

写地址waddr在wr_clk时钟域产生，有两个作用，作为存储模块的写地址并且产生格雷码waddr_gray。此种需要注意：waddr是递增的，且会翻转。如果afifo深度为8（n），则waddr位宽为3(log2(n) )，waddr计数到7后，再次写入则翻转为0。

（3）读地址产生逻辑  

读地址raddr在rd_clk时钟域产生，有两个作用，作为存储模块的读地址并且产生格雷码raddr_gray。此种需要注意：raddr是递增的，且会翻转。如果afifo深度为8（n），则raddr位宽为3(log2(n) )，raddr计数到7后，再次读出则翻转为0。

（4）读地址同步  

使用2级或者3级单bit同步器Synchronizer将读地址格雷码raddr_gray同步到wr_clk时钟域得到raddr_gray_sync，raddr_gray_sync进行格雷码逆转成二进制编码得到raddr_sync，用于产生将满信号和满信号。

在fpga设计中，2级单bit同步器Synchronizer就是2个串联的寄存器，在ASIC设计中，通常是定制的cell（会将两个/三个寄存器摆放靠得很近）。

（5）写地址同步器  

使用2级或者3级单bit同步器Synchronizer将写地址格雷码waddr_gray同步到rd_clk时钟域得到waddr_gray_sync，waddr_gray_sync进行格雷码逆转成二进制编码得到waddr_sync，用于产生将空信号和空信号。

（6）满信号产生逻辑  

此模块首先计算在wr_clk时钟域的剩余可写afifo深度，即wr_gap[3:0]=raddr_sync[2:0]+4’d8（FIFO深度）-waddr[2:0]，然后根据wr_gap[3:0]产生amost_full和full信号

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）空信号产生逻辑  

此模块首先计算在rd_clk时钟域的可读afifo深度，即assign  {ovf_nc1,rd_gap} = waddr_sync - raddr，然后根据rd_gap[3:0]产生empty信号。

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、重点说明  

（1）格雷码的优势  

格雷码的特点就是在递增，递减，或者翻转过程中，只会有1个bit位发生变化。因此单bit同步器Synchronizer同步后，只有存在变化的那一个bit可能会发生亚稳态。即使发生了亚稳态，体现的结果要么是0，要么是1，在格雷码上的同步效果就是当前clk周期没有同步（相当于delay了一个目的周期）到或者当前周期已采样到。

同时它也有自己的局限性，那就是循环计数深度必须是2的n次幂（也可以不是2的n次幂哦），否则就失去了每次只变化一位的特性。深度为16的二进制及格雷码递变表如下：

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）空信号计算方法的妙处  

在rd_clk时钟域计算可读数据量以及empty信号，看图2会发现，实际rd_gap永远小于等于真实可读数据量，能够保证empty为0时永远不会发生空读现象，即afifo没有数据，也进行了读操作。

（3）满信号计算方法的妙处  

在wd_clk时钟域计算可写数据量以及full信号，看图2会发现，实际wr_gap永远小于等于真实可写数据量，能够保证full为0时永远不会发生写溢出现象，即full为0时，afifo可能存在空闲位置。

（4）格雷码转二进制代码  

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;   endendfunction 

（5）二进制转格雷码  

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、结束语  

 Afifo代码写出来还不够，还需要设置约束条件，后期我们会再讲讲afifo的格雷码如何约束。

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