一种基于格雷码的异步FIFO设计与实现.doc

..................................... 一种基于格雷码的异步FIFO设计与实现 1 引言FIFO(First IN First Out)先进先出电路是一种实现数据先进先出的存储器件，普遍用作数据缓冲器。FIFO的基本单元是寄存器，作为存储器件，FIFO的存储能力是由其内部定义的存储寄存器的数量决定。FIFO通常是双端口的存储器，其中一个端口用于写入数据，而另一个端口用于读出数据。可以同时对存储器字存储单元进行写入和读出操作。它的数据吞吐率是普通RAM的两倍。FIFO型的存储器不需要由地址来存取数据。需要由另外的信号线(或标志)来指明存储器的内容状态。在现代数字系统设计中，FPGA(现场可编程门阵列)器件凭借其灵活、方便、资源丰富的优势在很多领域得到了广泛应用。随着其片内存储资源的增加，把FIFO器件集成到其中是一种方便地代替专用芯片的实现方法。根据异步逻辑的设计方法，引入乒乓操作的设计技巧，给出了一种新颖的异步FIFO设计方案，解决FPGA多时钟系统中不同时钟域传输数据的问题。 2 异步FIFO的设计与实现2.1 通用异步FIFO的基本结构在现代的集成电路芯片中，随着设计规模的不断扩大，一个系统中往往含有数个时钟。多时钟域带来的一个问题就是，如何设计异步时钟之间的接口电路。异步FIFO是解决这个问题一种简便、快捷的解决方案。使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据。在网络接口、图像处理等方面，异步FIFO得到了广泛的应用。异步FIFO常用于存储、缓冲在两个异步时钟之间的数据传输。在异步电路中，由于时钟之间周期和相位完全独立，因而数据的丢失概率不为零。如何设计一个高可靠性、高速的异步FIFO电路便成为一个难点。下面将介绍解决这一问题的一种方法，其结构框图如图1所示。本系统FPGA内部FIFO的存储介质是一块双端口的RAM，具有两个独立的读写时钟，整个系统也分为两个完全独立的时钟域——读时钟域和写时间域。FIFO的控制逻辑执行所有的读写指针管理，产生各种状态标志。在写时钟域部分，由写地址产生逻辑产生写控制信号和写地址；读时钟域部分由读地址产生逻辑产生读控制信号和读地址。在空/满标志产生部分，由读写地址相互比较产生空/满标志。本设计的外部引脚如表1所示。这种FIFO设计当中有两个难点：一是如何正确地设计空、满信号的控制电路；二是如何同步异步信号，使触发器不产生亚稳态。下一小节将具体阐述解决方法。2.2 FIFO的读写控制空/满标志的产生是FIFO的核心部分，如何正确设计这部分逻辑，直接影响到FIFO的性能。空/满标志产生的原则是：写满不溢出，读空不多读。即无论在什么时候，都不应出现读写地址同时对一个存储器地址操作的情况。在读写地址相等或相差一个或多个地址的时候，满标志应该有效，表示此时FIFO已满。在满信号有效时若继续向FIFO写数据，应根据设计的要求对数据作保持或抛弃重发处理，空标志的产生也是如此。最直接的做法是，采用读写地址相比较来产生空满标志。当读写地址的差值等于一个预设值的时候，空/满信号被置位。这种实现方法逻辑简单，但它是减法器形成的一个比较大的组合逻辑，因而限制了FIFO的速度。所以，一般只采用相等不相等的比较逻辑，避免使用减法器。即：空标志=(|写地址-读地址|=预定值)AND(写地址超前读地址)满标志=(|写地址-读地址|=预定值)AND(读地址超前写地址)另一种方法是，比较器只对读写地址比较是否相等。在读写地址相等的时候有两种情况：满或者空。所以，附加了一个并行的区间判断逻辑来指示是空还是满。这个区间判断逻辑将整个地址空间分为几个部分，以指示读写地址的相对位置。这种做法提高了整个电路的速度，但是也有其缺点。主要是直接采用读写地址等于不等于的比较逻辑来进行空/满标志的判断，可以带来误判。将读写指针位宽分别定义为：rp[aw:0]和wp[aw:0]，其中rp[aw]和wp[aw]为最高位进位位，rp[aw-1:0]和wp[aw-1:0]分别表示读写指针寻址的地址。当读写指针每次从初始地址处读写到最后一位地址位时，均需向最高位rp[aw]和wp[aw]进位。因为先有写才能有读，所以当wp[aw-1:0]=rp[aw-1:0]时，只要判断wp[aw]与rp[aw]是否相等就可以知道是写指针追赶上读指针写满了(wp[aw]!=rp[aw])，还是读指针追赶上写指针读空了(wp[aw]=rp[aw])。rp_pl1和wp_pl1分别定义为读写指针的下一个地址，而且为了在判断空满标志时对读写指针进行同步比较，设计中定义了与rd_clk同步的写指针wp_s以及与wr_clk同步的读指针rp_s，这两个信号可以通过同步逻辑来实现。2