基于FPGA的异步FIFO设计

今天要介绍的异步FIFO，可以有不同的读写时钟，即不同的时钟域。由于异步FIFO没有外部地址端口，因此内部采用读写指针并顺序读写，即先写进FIFO的数据先读取（简称先进先出）。这里的读写指针是异步的，处理不同的时钟域，而异步FIFO的空满标志位是根据读写指针的情况得到的。为了得到正确的空满标志位，需要对读写指针进行同步。一般情况下，如果一个时钟域的信号直接给另一个时钟域采集，可能会产生亚稳态，亚稳态的产生对设计而言是致命的。为了减少不同时钟域间的亚稳态问题，我们先对它进行两拍寄存同步，如图1所示。当然，对异步信号的寄存越多，产生亚稳态的概率就越小，但延时越多。不过一般情况下，寄存两拍就够了。为了继续减少亚稳态产生的概率，在对异步信号同步之前，将其转换为格雷码，使其每个状态只有一个位在变化。例如，假设N位二进制变量产生的亚稳态概率为a，那么二进制转换成格雷码后其产生的亚稳态概率则为a/N。

图1  对异步信号用两级寄存器同步

根据上述原理，设计了异步FIFO的架构，如图2所示。

图2  异步FIFO设计架构

根据异步FIFO的设计架构，归纳以下设计步骤：

写时钟域：

（1）根据写使能wr_en和写满标志位wr_full产生二进制写指针

（2）根据二进制写指针产生双端口RAM的写地址

（3）由二进制写指针转换成格雷码写指针

（4）对格雷码读指针在写时钟域中进行两级同步得同步后格雷码读指针

（5）同步后格雷码读指针转化成同步后二进制读指针

（6）步骤（3）与步骤（4）比较得写满标志位wr_full

（7）步骤（1）与步骤（5）相减得指示写FIFO的数据量

读时钟域：

（8）根据读使能rd_en和读空标志位rd_empty产生二进制读指针

（9）根据二进制读指针产生双端口RAM的读地址

（10）由二进制读指针转换成格雷码读指针

（11）对格雷码写指针在读时钟域中进行两级同步得同步后格雷码写指针

（12）同步后格雷码写指针转化成同步后二进制写指针

（13）步骤（10）与步骤（11）比较得读空标志位rd_empty

（14）步骤（8）与步骤（12）相减得指示读FIFO的数据量

Verilog HDL设计电路，如下所示：

/*******************************版权申明********************************
**                     电子技术应用网站, CrazyBird
**     http://www.chinaaet.com, http://blog.chinaaet.com/crazybird
**
**------------------------------文件信息--------------------------------
** 文件名：          asyn_fifo.v
** 创建者：          CrazyBird
** 创建日期：        2016-1-16
** 版本号:           v1.0
** 功能描述：        异步FIFO，用于处理不同的时钟域
**                   
***********************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module asyn_fifo(
    wr_rst_n,
    wr_clk,
    wr_en,
    wr_data,
    wr_full,
    wr_cnt,
    rd_rst_n,
    rd_clk,
    rd_en,
    rd_data,
    rd_empty,
    rd_cnt
    );
    //******************************************************************
    //  参数定义
    //******************************************************************
    parameter   C_DATA_WIDTH = 8;
    parameter   C_FIFO_DEPTH_WIDTH = 4;
    
    //******************************************************************
    //  端口定义
    //******************************************************************
    input                                   wr_rst_n;
    input                                   wr_clk;
    input                                   wr_en;
    input       [C_DATA_WIDTH-1:0]          wr_data;
    output reg                              wr_full;
    output reg  [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]      wr_cnt;
    input                                   rd_rst_n;
    input                                   rd_clk;
    input                                   rd_en;
    output      [C_DATA_WIDTH-1:0]          rd_data;
    output reg                              rd_empty;
    output reg  [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]      rd_cnt;
    
    //******************************************************************
    //  内部变量定义
    //******************************************************************
    reg     [C_DATA_WIDTH-1:0]      mem     [0:(1 << C_FIFO_DEPTH_WIDTH)-1];
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH-1:0]        wr_addr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH-1:0]        rd_addr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          next_wr_bin_ptr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          next_rd_bin_ptr;
    reg     [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          wr_bin_ptr;
    reg     [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          rd_bin_ptr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          next_wr_gray_ptr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          next_rd_gray_ptr;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          syn_wr_bin_ptr_rd_clk;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          syn_rd_bin_ptr_wr_clk;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          syn_wr_gray_ptr_rd_clk;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          syn_rd_gray_ptr_wr_clk;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          wr_cnt_w;
    wire    [C_FIFO_DEPTH_WIDTH:0]          rd_cnt_w;
    wire                                    wr_full_w;
    wire                                    rd_empty_w;
    
    //******************************************************************
    //  双端口RAM的读写
    //******************************************************************
    //  写RAM
    always @(posedge wr_clk)
    begin
        if((wr_en & ~wr_full) == 1'b1)
            mem[wr_addr] <= wr_data;
    end
    //  读RAM
    assign rd_data = mem[rd_addr];
    
    //******************************************************************
    //  二进制写指针的产生
    //******************************************************************
    assign next_wr_bin_ptr = wr_bin_ptr + (wr_en & ~wr_full);
    
    always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)
    begin
        if(wr_rst_n == 1'b0)
            wr_bin_ptr <= {(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1){1'b0}};
        else
            wr_bin_ptr <= next_wr_bin_ptr;
    end
    
    //******************************************************************
    //  RAM写地址的产生
    //******************************************************************
    assign wr_addr = wr_bin_ptr[C_FIFO_DEPTH_WIDTH-1:0];
    
    //******************************************************************
    //  二进制写指针转换成格雷码写指针
    //******************************************************************
    bin2gray #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_bin2gray_wr (
        .bin    (   next_wr_bin_ptr     ),
        .gray   (   next_wr_gray_ptr    )
    );
    
    //******************************************************************
    //  对格雷码读指针在写时钟域中进行两级同步
    //******************************************************************
    double_syn_ff #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_double_syn_ff_wr (
        .rst_n  (   wr_rst_n                ),
        .clk    (   wr_clk                  ),
        .din    (   next_rd_gray_ptr         ),
        .dout   (   syn_rd_gray_ptr_wr_clk   )
    );
    
    //******************************************************************
    //  同步后的格雷码读指针转换成同步后的二进制读指针
    //******************************************************************
    gray2bin #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_gray2bin_wr (
        .gray   (   syn_rd_gray_ptr_wr_clk  ),
        .bin    (   syn_rd_bin_ptr_wr_clk   )
    );
    
    //******************************************************************
    //  FIFO写满标志位的产生和写FIFO数据量的计数
    //******************************************************************
    assign wr_full_w = (next_wr_gray_ptr == ({~syn_rd_gray_ptr_wr_clk[C_FIFO_DEPTH_WIDTH:C_FIFO_DEPTH_WIDTH-1],
                        syn_rd_gray_ptr_wr_clk[C_FIFO_DEPTH_WIDTH-2:0]}));
    assign wr_cnt_w  = next_wr_bin_ptr - syn_rd_bin_ptr_wr_clk;
    
    always @(posedge wr_clk or negedge wr_rst_n)
    begin
        if(wr_rst_n == 1'b0)
        begin
            wr_full <= 1'b0;
            wr_cnt  <= {(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1){1'b0}};
        end
        else
        begin
            wr_full <= wr_full_w;
            wr_cnt  <= wr_cnt_w;
        end
    end
    
    //******************************************************************
    //  二进制读指针的产生
    //******************************************************************
    assign next_rd_bin_ptr = rd_bin_ptr + (rd_en & ~rd_empty);
    
    always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)
    begin
        if(rd_rst_n == 1'b0)
            rd_bin_ptr <= {(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1){1'b0}};
        else
            rd_bin_ptr <= next_rd_bin_ptr;
    end
    
    //******************************************************************
    //  RAM读地址的产生
    //******************************************************************
    assign rd_addr = rd_bin_ptr[C_FIFO_DEPTH_WIDTH-1:0];
    
    //******************************************************************
    //  二进制读指针转换成格雷码读指针
    //******************************************************************
    bin2gray #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_bin2gray_rd (
        .bin    (   next_rd_bin_ptr     ),
        .gray   (   next_rd_gray_ptr    )
    );
    
    //******************************************************************
    //  对格雷码写指针在读时钟域中进行两级同步
    //******************************************************************
    double_syn_ff #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_double_syn_ff_rd (
        .rst_n  (   rd_rst_n                ),
        .clk    (   rd_clk                  ),
        .din    (   next_wr_gray_ptr        ),
        .dout   (   syn_wr_gray_ptr_rd_clk  )
    );
    
    //******************************************************************
    //  同步后的格雷码写指针转换成同步后的二进制写指针
    //******************************************************************
    gray2bin #(
        .C_DATA_WIDTH(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1)
    )
    u_gray2bin_rd (
        .gray   (   syn_wr_gray_ptr_rd_clk  ),
        .bin    (   syn_wr_bin_ptr_rd_clk   )
    );
    
    //******************************************************************
    //  FIFO读空标志位的产生和读FIFO数据量的计数
    //******************************************************************
    assign rd_empty_w = (next_rd_gray_ptr == syn_wr_gray_ptr_rd_clk);
    assign rd_cnt_w   = syn_wr_bin_ptr_rd_clk - next_rd_bin_ptr;
    
    always @(posedge rd_clk or negedge rd_rst_n)
    begin
        if(rd_rst_n == 1'b0)
        begin
            rd_empty <= 1'b0;
            rd_cnt   <= {(C_FIFO_DEPTH_WIDTH+1){1'b0}};
        end
        else
        begin
            rd_empty <= rd_empty_w;
            rd_cnt   <= rd_cnt_w;
        end
    end
    
endmodule

其中，模块gray2bin是格雷码转二进制码，模块bin2gray是二进制码转格雷码，详情见上一篇博客，地址：http://blog.chinaaet.com/crazybird/p/5100000866 。模块double_syn_ff是两级寄存器，用于同步信号，对应的Verilog HDL实现如下所示：

/*******************************版权申明********************************
**                     电子技术应用网站, CrazyBird
**     http://www.chinaaet.com, http://blog.chinaaet.com/crazybird
**
**------------------------------文件信息--------------------------------
** 文件名：          double_syn_ff.v
** 创建者：          CrazyBird
** 创建日期：        2016-1-16
** 版本号:           v1.0
** 功能描述：        对输入信号进行两级同步后输出
**                   
***********************************************************************/
// synopsys translate_off
`timescale 1 ns / 1 ps
// synopsys translate_on
module double_syn_ff(
    rst_n,
    clk,
    din,
    dout
    );
    //******************************************************************
    //  参数定义
    //******************************************************************
    parameter   C_DATA_WIDTH = 8;
    
    //******************************************************************
    //  端口定义
    //******************************************************************
    input                               rst_n;
    input                               clk;
    input       [C_DATA_WIDTH-1:0]      din;
    output reg  [C_DATA_WIDTH-1:0]      dout;
    
    //******************************************************************
    //  内部变量定义
    //******************************************************************
    reg         [C_DATA_WIDTH-1:0]      data_r;
    
    //******************************************************************
    //  对输入信号进行两级同步后输出
    //******************************************************************
    always @(posedge clk or negedge rst_n)
    begin
        if(rst_n == 1'b0)
            {dout,data_r} <= {(2*C_DATA_WIDTH){1'b0}};
        else
            {dout,data_r} <= {data_r,din};
    end
    
endmodule

由于字数的限制，异步FIFO的功能验证放在下一篇博文中吧！！！

转载：http://blog.chinaaet.com/crazybird/p/5100000872