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异 步 FIFO 结 构 （第一部分） 作者： Vijay A.Nebhrajani 翻译： Adam Luo 2006 年 7 月 设计一个FIFO 是ASIC 设计者遇到的最普遍的问题之一。本文着重介绍怎 样设计FIFO——这是一个看似简单却很复杂的任务。 一开始，要注意，FIFO 通常用于时钟域的过渡，是双时钟设计。换句话说， 设计工程要处理（work off ）两个时钟，因此在大多数情况下，FIFO 工作于独立 的两个时钟之间。然而，我们不从这样的结构开始介绍—我们将从工作在单时钟 的一个FIFO 特例开始。虽然工作在同一时钟的FIFO 在实际应用中很少用到， 但它为更多的复杂设计搭建一个平台，这是非常有用的。然后再从特例推广到更 为普通的FIFO ，该系列文章包括以下内容： 1．单时钟结构 2 ．双时钟结构——双钟结构1 3 ．双时钟结构——双钟结构2 4 ．双时钟结构——双钟结构3 5 ．脉冲模式FIFO 单时钟FIFO 特例 FIFO 有很多种结构，包括波浪型（ripple ）FIFO ，移位寄存器型以及其他一 些我们并不关心的结构类型。我们将集中讨论包含RAM 存储器的结构类型。其 结构如图1 所示。 通过分析，我们看到图中有一个具有独立的读端口和独立的写端口的RAM 存储器。这样选择是为了分析方便。如果是一个单端口的存储器，还应包含一个 仲裁器保证同一时刻只能进行一项操作（读或写 ），我们选择双口RAM （无需 真正的双口RAM ，因为我们只是希望有一个简单的相互独立的读写端口）是因 为这些实例非常接近实际情况。 读、写端口拥有又两个计数器产生的宽度为log (array_size)的互相独立的读、 2 写地址。数据宽度是一个非常重要的参数将在在稍后的结构选择时予以介绍，而 现在我们不必过分的关心它。为了一致，我们称这些计数器为“读指针”（read pointer ）和“写指针”（write pointer ）。写指针指向下一个将要写入的位置，读指 针指向下一个将要读取的位置。每次写操作使写指针加1，读操作使读指针加1。 我们看到最下面的模块为“状态”(stauts) 模块。这个模块的任务实给FIFO 提供“空”（empty ）和“满”（full ）信号。这些信号告诉外部电路FIFO 已经达 到了临界条件：如果出现“满”信号，那么FIFO 为写操作的临界状态，如果出 现“空”信号，则FIFO 为读操作的临界状态。写操作的临界状态（“full is active ”） 表示FIFO 已经没有空间来存储更多的数据，读操作的临界表示FIFO 没有更多 的数据可以读出。status 模块还可告诉 FIFO 中“满”或“空”位置的数值。这 是由指针的算术运算来完成了。 实际的“满”或“空”位置计算并不是为FIFO 自身提供的。它是作为一个 报告机构给外部电路用的。但是，“满”和“空”信号在 FIFO 中却扮演着非常 重要的角色，它为了能实现读与写操作各自的独立运行而阻塞性的管理数据的存 取。这种阻塞性管理的重要性不是将数据复写（或重读），而是指针位置可以控 制整个 FIFO ，并且使读、写操作改变着指针数值。如果我们不阻止指针在临界 状态下改变状态，FIFO 还能都一边“吃”着数据一边“产生”数据，这简直是 不可能的。 进一步分析：DPRAM 若能够寄存读出的信号，这意味着存储器的输出数据 已被寄存。如果这样的话