一种读写深度可配置的异步FIFO设计

引言
    随着设计复杂度的不断提高，现代电子信息设计中，单一时钟驱动已无法满足设计与应用的需求。基于多时钟驱动的设计已经越来越普遍，在异步时钟域的设计中，跨时钟域数据信号传输是必须考虑的一个问题。控制信号一般使用握手协议来实现异步传输，对于异步时钟域大数据量的传输则经常使用异步FIFO来实现。
    基于FIFO进行跨时钟域数据传输的具体设计，主要借助于FIFO的空／满状态信号来控制对FIFO的读写操作。在部分使用处理器检测空／满状态标志的设计中，当FIFO已经空或满时，处理器会出现来不及响应的情况，从而造成数据的溢出或者数据流的断流现象。这无法满足一些设计的严格要求，所以就有了半空／半满标志的使用。但针对一些大容量的FIFO，简单使用半空／半满标志进行FIFO的读写控制时，因为具体应用的不同，会有部分FIFO的存储资源没有使用，造成硬件资源的浪费。
    针对这一现状，本文提出一种读写深度可配置的FIFO设计。通过对寄存器的配置，来设定产生有效FIFO读写控制信号时FIFO的深度。在提高硬件资源利用率的同时，还可以通过寄存器的配置，使设计满足于不同的具体应用。

1 异步FIFO的工作原理简述
    通用异步FIFO的原理结构图如图1所示。由图中可以看出，异步FIFO由4部分组成：存储器模块、写地址逻辑模块、读地址逻辑模块、同步模块。其中，写地址逻辑模块和读地址逻辑模块是两个相互独立的时钟域模块。

    FIFO的空／满状态的判断是FIFO设计中的一个关键部分，主要通过对读／写地址的比较来实现。鉴于读／写地址的控制逻辑分别工作在各自的时钟域下，进行比较时，通常将二进制码的地址转换为格雷码的编码方式，传输到异步时钟域再进行比较，以使亚稳态的产生处于可以接受的范围之内。对于FIFO的读写，当FIFO的满状态信号有效时，禁止写操作；当FIFO的空状态有效时，禁止读操作。

2 深度可配置的异步FIFO设计
    本文所提出的深度可配置异步FIFO的设计，在通用异步FIFO的基础上，增加半空／半满状态标志的产生，同时通过寄存器的配置，可动态调整所增加状态标志的产生条件，从而实现应用中的深度可配置。其接口框图如图2所示。

    各接口的说明为：wdata为写入数据，rdata为读出数据；wrst_n为写时钟复位信号，rrst_n为读时钟复位信号；wr_en为写使能信号，rd_en为读使能信号；welk为写时钟，rclk为读时钟；full为输出满状态信号，empty为输出空状态信号；hempty为半空信号，hfull为半满信号；具体半空半满信号的产生可由rd_depth_reg与wr_depth_reg控制。
    在采用此FIFO的设计中，full与empty信号分别用于控制写操作与读操作。当full有效时，禁止写操作。同样，当empty有效时，禁止读操作，从而避免写覆盖与读空的发生。但是在数据路径中，为了防止读数据流的间断，在半空状态时就会开始写操作；在半满状态时就开始读操作，防止写满后禁止写操作再进行读取造成数据的丢失。
     在FIFO的逻辑设计中，空／满及半空／半满状态标志的产生都是由读／写地址的指针来判断的。对于空状态主要有两种情况：复位时读／写指针相等或者读指针赶上写指针状态。但是，若写指针循环一次赶上读指针时，此时读／写指针相等应该为满状态。所以，单独的从读／写指针是否相等不能判断是空状态还是满状态。
    一种区分空和满状态的设计方法是，对两个指针各增加一个冗余位。当写指针增加到最后的FIFO地址时，写指针将增加没有用到的最高位，同时复位其他位，FIFO的空满条件如图3所示(FIFO转过一圈，并置位最高位)。读指针也是同样的情况。如果两个指针的最高位是不同的，则意味着写指针比读指针多转了一圈。如果两个指针的最高位是相同的，则意味着两个指针转过了同样的圈数。n位的指针中，用n-1位来指向整个FIFO的内存缓冲区。当两个指针包括最高位在内的所有位都相等时，FIFO为空。当两个指针除了最高位外，其他位都相等时，FIFO为满。

    半空／半满状态信号的产生与空／满状态类似，根据对读写指针除去冗余位差值的比较，来判断半空半满状态。当冗余位相同时，半满信号为写指针减去读指针大于FIFO物理深度的一半，半空信号则为差值小于FIFO物理深度的一半。当冗余位不同时，半满信号为读指针减去写指针小于FIFO物理深度一半，半空信号为差值大于FIFO物理深度的一半。
    在部分实际应用中，若严格按照半空／半满条件，虽然保证了数据的不丢失，但数据突发传输的深度仅为FIFO物理深度的一半，从而造成了对硬件逻辑资源的浪费。因此，对于半空／半满状态标志的判断，临界值采用寄存器配置的方式保证数据的不丢失，同时又尽可能地利用现有FIFO的存储资源，提高数据吞吐率。

结语
    本文对异步FIFO的工作原理进行了简单介绍，同时提出了一种深度可配置的异步FIFO的设计方法。这种深度可配置的异步FIFO的设计方法，对于含有DMA外设的电路及在高速数据传输系统中，可进行高效可靠的数据读取操作，同时可提高硬件资源的利用率。