以下文章来源于瓜大三哥 ，作者米果不回来
数字IC设计中我们经常会遇到这种场景，工作在不同时钟域的两个模块，它们之间需要进行数据传递，为了避免数据丢失，我们会使用到FIFO。当读数据的速率小于写数据的速率时，我们就不得不将那些还没有被读走的数据缓存下来，那么我们需要开多大的空间去缓存这些数据呢？缓存开大了会浪费资源，开小了会丢失数据，如何去计算最小FIFO深度是我们讨论的重点。
数据突发长度(burst length)
在讲解如何去计算FIFO深度之前，我们来理解一个术语burst length，如果你已经了解了可以跳过。要理解数据的突发长度，首先我们来考虑一种场景，假如模块A不间断的往FIFO中写数据，模块B同样不间断的从FIFO中读数据，不同的是模块A写数据的时钟频率要大于模块B读数据的时钟频率，那么在一段时间内总是有一些数据没来得及被读走，如果系统一直在工作，那么那些没有被读走的数据会越累积越多，那么FIFO的深度需要是无穷大的，因此只有在突发数据传输过程中讨论FIFO深度才是有意义的。也就是说我们一次传递一包数据完成后再去传递下一包数据，我们把一段时间内传递的数据个数称为burst length。在维基百科中，burst transmission是这样解释的：In telecommunication, a burst transmission or data burst is the broadcast of a relatively high-bandwidth transmission over a short period。我们知道burst length过后，通过上述讨论我们大概就知道FIFO的最小深度与burst rate, burst size, read and write frequency等因素有关。要确定FIFO的深度，关键在于计算出在突发读写这段时间内有多少个数据没有被读走。也就是说FIFO的最小深度就等于没有被读走的数据个数。其实在一些ASIC论坛中，很多前辈就给出过FIFO深度计算公式，但是当时看到公式时不是太理解它是怎么来的，为了让大家更好的理解FIFO size的计算过程，这里在不套用计算公式的前提下来逐步计算不同场景FIFO深度，当然在本文的最后会给出FIFO深度的计算公式，只想套用公式的同志可以直接移步到本文末尾。在讨论之前我们假定模块A向FIFO写数据的时钟频率为fa，模块B从FIFO读数据的时钟频率为fb。
场景1：fa>fb with no idle cycles in both write and read
假设：
那么：
场景2：fa>fb with two clock cycle delay between two successive read and write
场景2在场景1的基础上增加了一个假设，即读比写慢两拍。这种假设是真正存在的，在异步FIFO设计中，我们需要去判断FIFO的空满来保证逻辑的正确性，判断空满标志需要去比较读写指针，而读指针与写指针处在不同的时钟域中，我们需要采用格雷码和两级同步寄存器去降低亚稳态的概率，而两级同步必然会导致空满标志位的判断至少延迟2个cycle。对于空标志位来说，将写指针同步到读时钟域至少需要花费2个时钟，而在同步这段时间内有可能还会写入新的数据，因此同步后的写指针一定小于或等于（当且仅有同步时间内没有新数据写入的情况下才会等于）当前的写指针，所以此时判断不一定是真空；同理，对于满标志位来说，将读指针同步到读时钟域至少需要花费2个时钟，而在同步这段时间内有可能还会读出新的数据，因此同步后的读指针一定小于或等于当前读指针，所以此时判断并不一定是真满。通过上述讨论可以知道场景2的FIFO最小深度应该比场景1的FIFO最小深度45略大。场景3：fa > fb with idle cycles in both write and read
假设：
- 写数据时钟频率fa=80MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120•每隔1个cycle写一次•每隔3个cycle读一次
- 每隔1个cycle写一次，意味着2个cycle才写一个数据•每隔3个cycle读一次，意味着4个cycle才读一个数据•写一个数据所需要的时间 = 2*1/80MHz = 25ns•突发传输中，写完所有数据所需要的时间 = 120*25ns = 3000ns•读一个数据所需要的时间 = 4*1/50MHz = 80ns•所以写完所有的突发传输数据需要花费3000ns•在3000ns内能够读走的数据个数 = 3000ns/80ns = 37.5•所以在3000ns内还没有被读走的数据个数 = 120-37.5 = 82.5•因此FIFO的最小深度为83
场景4：fa > fb with duty cycles given for wr_enb and rd_enb.
假设：
- 写数据时钟频率fa=80MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120•写使能信号占整个burst时间比重为1/2•读使能信号占整个burst时间比重为1/4
那么：
场景5：fa < fb with no idle cycles in both write and read
假设：
- 写数据时钟频率fa=40MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120•在突发传输过程中，数据都是连续读写的
那么：
- 由于读数据比写数据要快，因此FIFO只起到过时钟域的作用，FIFO的最小深度为1即可
场景6：fa < fb with idle cycles in both write and read
假设：
- 写数据时钟频率fa=40MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120•每隔1个cycle写一次•每隔3个cycle读一次
那么：
- 每隔1个cycle写一次，意味着2个cycle才写一个数据•每隔3个cycle读一次，意味着4个cycle才读一个数据•写一个数据所需要的时间 = 2*1/40MHz = 50ns•突发传输中，写完所有数据所需要的时间 = 120*50ns = 6000ns•读一个数据所需要的时间 = 4*1/50MHz = 80ns•所以写完所有的突发传输数据需要花费6000ns•在6000ns内能够读走的数据个数 = 6000ns/80ns = 75•所以在6000ns内还没有被读走的数据个数 = 120-75 = 45•因此FIFO的最小深度为45
场景7：fa = fb with no idle cycles in both write and read
假设：
- 写数据时钟频率fa=50MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120
那么：
- 如果读写时钟同源并且无相位差，那么可以不需要FIFO；否则FIFO的最小深度为1
场景8：fa = fb with idle cycles in both write and read
假设：
- 写数据时钟频率fa=50MHz•读数据时钟频率fb=50MHz•突发长度= number of data to be transferred = 120•每隔1个cycle写一次•每隔3个cycle读一次
那么：
- 每隔1个cycle写一次，意味着2个cycle才写一个数据•每隔3个cycle读一次，意味着4个cycle才读一个数据•写一个数据所需要的时间 = 2*1/50MHz = 40ns•突发传输中，写完所有数据所需要的时间 = 120*40ns = 4800ns•读一个数据所需要的时间 = 4*1/50MHz = 80ns•所以写完所有的突发传输数据需要花费4800ns•在4800ns内能够读走的数据个数 = 4800ns/80ns = 60•所以在4800ns内还没有被读走的数据个数 = 120-60 = 60•因此FIFO的最小深度为60
场景9：Data rates are given，read and write random(important!!!)
在前面几种场景中，我们给的条件都是每隔几个时钟读写一次，这种周期性读写在实际中很常见。但是在工程设计中还存在这样一种情形，只给出数据在一段时间内的读写速率，怎么读写完全随机，这种情况我们需要考虑最坏的一种情况避免数据丢失。在最坏的情形中，读写的速率应该相差最大，也就是说需要找出最大的写速率和最小的读速率。
•注意：这里需要验证一下是否有解，即写入burst数据时间必须大于等于读出burst数据时间，不然数据就会越累积越多，使得FIFO的深度必须为无穷大。首先写入80个数据需要的时间 = 1/80MHz*(80*100/40)=2500ns，读出80个数据需要的时间 = 1/50MHz*(80*10/8)=2000ns，由于写入burst数据时间大于对出burst数据时间，因此有解。•下面来计算FIFO最小深度，连续写入80个数据最快所需要时间 = 1/80MHz * 80 = 1000ns•从FIFO中读出一个数据至少所需时间 = (1/50MHz) * (10/8) = 25ns•那么在1000ns内能够读出的数据 = 1000ns/25ns = 40•在1000ns内没有读出的数据 = 80 - 40 = 40•因此FIFO的最小深度为40
总结
从上面分析来看，求FIFO的最小深度主要有以下要点：
作者：星雨夜澈
出处：http://www.cnblogs.com/dxs959229640/
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