FIFO深度的解释

1、深入理解FIFO (包含有FIFO深度的解释)FIFO：一、先入先出队列(First Input First Output , FIFO)这是一种 传统的按序执行方法， 先进入的指令先完成并引退， 跟着才执行第二 条指令。1 什么是 FIFOFIFO是英文First In First Out的缩写，是一种先进先出的数据缓存器， 他与普通存储器的区别是没有外部读写地址线， 这样使用 起来非常简单，但缺点就是只能顺序写入数据，顺序的读出数据，其 数据地址由内部读写指针自动加 1 完成， 不能像普通存储器那样可以 由地址线决定读取或写入某个指定的地址。2 什么情况下用FIFOFIFO 一般用于不同时

2、钟域之间的数据传输，比如FIFO的一端时AD数据采集，另一端时计算机的PCI总线，假设其AD采集的速率为 16位100K SPI ,那么每秒的数据量为100Kx 16bit=,而PCI总线的 速度为33MHz总线宽度32bit,其最大传输速率为1056Mbps,在两个 不同的时钟域间就可以采用 FIFO来作为数据缓冲。另外对于不同宽 度的数据接口也可以用 FIFO,例如单片机位8位数据输出，而DSP 可能是16位数据输入，在单片机与DSP11接时就可以使用FIFO来达 到数据匹配的目的。3 FIFO 的一些重要参数FIFO的宽度：也就是英文资料里常看到的 THEWIDTH它只的是FIFO一次读

3、写操作的数据位，就像 MCUT 8位和16位，ARM32位等 等，FIFO的宽度在单片成品IC中是固定的，也有可选择的，如果用 FPGA!己实现一个FIFO,其数据位，也就是宽度是可以自己定义的。FIFO的深度：THE DEEPTH它指的是FIFO可以存储多少个 N位 的数据(如果宽度为N)o如一个8位的FIFO,若深度为8,它可以 存储 8 个 8 位的数据，深度为 12 ，就可以存储12 个 8 位的数据，FIFO的深度可大可小，个人认为FIFO深度的计算并无一个固定的公 式。在FIFO实际工作中，其数据的满/空标志可以控制数据的继续写 入或读出。 在一个具体的应用中也不可能由一些参数算数

4、精确的所需FIFO 深度为多少，这在写速度大于读速度的理想状态下是可行的，但在实际中用到的FIFO深度往往要大于计算值。一般来说根据电路 的具体情况，在兼顾系统性能和 FIFO成本的情况下估算一个大概的 宽度和深度就可以了。而对于写速度慢于读速度的应用， FIFO 的深 度要根据读出的数据结构和读出数据的由那些具体的要求来确定。满标志： FIFO 已满或将要满时由 FIFO 的状态电路送出的一个信 号，以阻止FIFO 的写操作继续向 FIFO 中写数据而造成溢出( overflow ) 。空标志： FIFO 已空或将要空时由 FIFO 的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO的读操作继续从FI

5、FO中读出数据而造成无效数据的 读出( underflow ) 。读时钟：读操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时读数据。写时钟：写操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时写数据。读指针：指向下一个读出地址。读完后自动加 1。写指针：指向下一个要写入的地址的，写完自动加 1。读写指针其实就是读写的地址，只不过这个地址不能任意选择，而是连续的。4 FIFO 的分类根均 FIFO 工作的时钟域，可以将FIFO 分为同步 FIFO 和异步FIFO。同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟。在时钟沿来临时同时发生读写操作。异步 FIFO 是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的。5 . FIFO设计的难点

6、FIFO 设计的难点在于怎样判断FIFO 的空 / 满状态。为了保证数据正确的写入或读出，而不发生溢出或读空的状态出现，必须保证FIFO 在满的情况下，不能进行写操作。在空的状态下不能进行读操作。怎样判断FIFO的满/空就成了 FIFO设计的核心问题。由于同步FIFO 几乎很少用到，这里只描述异步 FIFO 的空 / 满标志产生问题。在用到触发器的设计中， 不可避免的会遇到亚稳态的问题 （关于亚稳态这里不作介绍， 可查看相关资料） 。 在涉及到触发器的电路中，亚稳态无法彻底消除， 只能想办法将其发生的概率将到最低。 其中的一个方法就是使用格雷码。 格雷码在相邻的两个码元之间只由一位变换（二进制

7、码在很多情况下是很多码元在同时变化 ） 。 这就会避免计数器与时钟同步的时候发生亚稳态现象。 但是格雷码有个缺点就是只能定义2An的深度，而不能像二进制码那样随意的定义FIFO的深度， 因为格雷码必须循环一个2An,否则就不能保证两个相邻码元之间相差一位的条件， 因此也就不是真正的各雷码了。 第二就是使用冗余的触发器，假设一个触发器发生亚稳态的概率为P,那么两个及联的触发器发生亚稳态的概率就为 P 的平方。 但这回导致延时的增加。 亚稳态的发生会使得FIFO出现错误，读/写时钟采样的地址指针会与真实的值之间不同， 这就导致写入或读出的地址错误。 由于考虑延时的作用，空/满标志的产生并不一定出现

8、在 FIFO真的空/满时才出现。可 能FIFO还未空/满时就出现了空/满标志。这并没有什么不好，只要 保证 FIFO不出现 overflow or underflow 就 OK了。很多关于 FIFO 的文章其实讨论的都是空 / 满标志的不同算法问 题。在Vijay A. Nebhrajani 的异步FIFO结构一文中，作者提 出了两个关于FIFO空/满标志的算法。第一个算法：构造一个指针宽度为N+1,深度为2AN字节的FIFO（为便方比较将格雷码指针转换为二进制指针） 。当指针的二进制码中最高位不一致而其它 N位都相等时，FIFO为满（在 Clifford E.Cummings 的文章中以格雷

9、码表示是前两位均不相同，而后两位LSB相同为满，这与换成二进制表示的MS杯同其他相同为满是一样的）。当指针完全相等时， FIFO 为空。这也许不容易看出，举个例子说明一下：一个深度为 8 字节的 FIFO 怎样工作（使用已转换为二进制的指针） 。 FIFO_WIDTH=，8 FIFO_DEPTH= 2AN = 8， N = 3 ，指针宽度为N+1=4 起初 rd_ptr_bin 和 wr_ptr_bin 均为 “ 0000”。止匕时 FIFO 中 写入 8 个字节的数据。 wr_ptr_bin =“ 1000” ， rd_ptr_bin= “0000”。当然，这就是满条件。现在，假设执行了 8

10、 次的读操作，使得rd_ptr_bin =“1000” ，这就是空条件。另外的 8 次写操作将使wr_ptr_bin 等于“0000” ，但rd_ptr_bin 仍然等于“1000” ，因此FIFO 为满条件。显然起始指针无需为“ 0000”。假设它为“ 0100”，并且FIFO为 空，那么 8 个字节会使wr_ptr_bin =“ 1100” ， , rd_ptr_bin 仍然为“ 0100”。这又说明FIFO 为满。在Vijay A. Nebhrajani 的这篇异步FIFO结构文章中说明 了怎样运用格雷码来设置空满的条件， 但没有说清为什么深度为 8 的 FIFO其读写指针要用3+1位的

11、格雷码来实现，而3+1位的格雷码可 以表示16位的深度，而真实的FIFO只有8位，这是怎么回事而这个 问题在 Clifford E. Cummings 的文章中得以解释。三位格雷码可表示8位的深度，若在加一位最为 MSB则这一位加其他三位组成的格雷码并不代表新的地址， 也就是说格雷码的 0100 表示表示 7， 而 1100仍然表示7,只不过格雷码在经过一个以0位MSB勺循环后进入一个 以1为MSB勺循环，然后又进入一个以0位MSB勺循环，其他的三位 码仍然是格雷码，但这就带来一个问题，在 0100 的循环完成后，进 入 1000，他们之间有两位发生了变换，而不是1 位，所以增加一位MSB勺做

12、法使得该码在两处：01001000, 11000000有两位码元发生 变化，故该码以不是真正的格雷码。增加的MS提为了实现空满标志 的计算。 Vijay A. Nebhrajani 的文章用格雷码转二进制，再转格雷码的情况下提出空满条件，仅过两次转换，而 Clifford E. Cummings 的文章中直接在格雷码条件下得出空满条件。其实二者是一样的，只是实现方式不同罢了。第二种算法：Clifford E. Cummings 的文章中提到的 STYLE #2 它将FIFO地址分成了 4部分，每部分分别用高两位的 MSB 00、01、 11、10决定FIFO是否为going full 或goi

13、ng empty （即将满或空）。 如果写指针的高两位 MSBJ、于读指针的高两位 MS刖FIFO为“几乎 满”，若写指针白高两位MS耿于读指针的高两位MSB® FIFO为“几 乎空”。在Vijay A. Nebhrajani 的异步FIFO结构第三部分的文章 中也提到了一种方法，那就是方向标志与门限。设定了 FIFO容量的 75%乍为上限，设定FIFO容量的25恸下限。当方向标志超过门限便 输出满/空标志，这与 Clifford E. Cummings的文章中提到的STYLE#2可谓是异曲同工。他们都属于保守的空满判断。其实这时输出空 满标志FIFO并不一定真的空/满。说到此，我们已经清楚地看到，FIFO设计最关键的就是产生空/ 满标志的算法的不同产生了不同的FIFO。但无论是精确的空满还是保守的空满都是为了保证 FIFO工作的可靠二、先进先出法 (first in,first out， FIFO)先进先出法是指根据先入库先发出的原则， 对于发出的存货以先入库存货的单价计算发出存货成本的方法 . 采用这种方法的具体做法是： 先按存货的期初余额的单价计算