基于Verilog HDL的异步FIFO设计与实现

　　在现代IC设计中，特别是在模块与外围芯片的通信设计中，多时钟域的情况不可避免。当数据从一个时钟域传递到另一个域，并且目标时钟域与源时钟域不相关时，这些域中的动作是不相关的，从而消除了同步操作的可能性，并使系统重复地进入亚稳定状态[1]。在有大量的数据需要进行跨时钟域传输且对数据传输速度要求比较高的场合，异步FIFO是一种简单、快捷的解决方案。

　　异步FIFO用一种时钟写入数据，而用另外一种时钟读出数据。读写指针的变化动作由不同的时钟产生。因此，对FIFO空或满的判断是跨时钟域的。如何根据异步的指针信号产生正确的空、满标志，是异步FIFO设计成败的关键。本文提出一种新颖的异步FIFO设计方案，它通过先比较读写地址并结合象限检测法产生异步的空/满标志，再把异步的空/满标志同步到相应的时钟域。通过仿真验证，该方法是稳定有效的。

　　1 异步信号传输问题的分析

　　在一个ASIC或FPGA库中，每种触发器都有时序要求。对于使用上升沿触发的触发器来说，建立时间(Setup Time)是在时钟上升沿到来之前，触发器数据保持稳定的最小时间；而保持时间(Hold Time)是在时钟上升沿到来之后，触发器数据还应该保持的最小时间[2]。如图1所示，在时钟上升沿前后的这个窗口内数据应该保持不变，否则会使触发器工作在一个不确定的状态，即亚稳态。当触发器处于亚稳态，且处于亚稳态的时间超过了一个时钟周期时，这种不确定的状态将会影响到下一级的触发器，最终导致连锁反应，从而使整个系统功能失常。当一个信号跨越某个时钟域时，对新时钟域的电路来说它就是一个异步信号。由于异步信号之间的时序是毫无关系的，因此必然存在Setup Time/Hold Time冲突。为了避免亚稳态问题，采用如图2所示的双锁存器法[3]，即在一个信号进入另一个时钟域前，将该信号用两个锁存器连续锁存两次，最后得到的采样结果就可以消除亚稳态。

　　消除亚稳态只是保证了信号电平的稳定，要在不同时钟域中准确传输数据还需要一个接口电路。异步FIFO就是一种不同时钟域之间传递多位数据的常用方法。

　　2 异步FIFO设计

　　异步FIFO是一种先进先出电路，用在需要实时数据接口的部分，用来存储、缓冲在两个异步时钟之间的数据传输。主要由双口存储器、读地址产生逻辑、写地址产生逻辑、空/满标志产生逻辑四部分构成。图3是一种常用的异步FIFO设计方案，其中，读地址(rptr)和空标志(rempty)由读时钟 (rclk)产生，而写地址(wptr)和满标志(wfull)由写时钟(wclk)产生。把写地址与读地址相互比较以产生空/满标志。由于读写地址的变化由不同的时钟产生，所以对FIFO空或满的判断是跨时钟域的。如何避免异步传输带来的亚稳态以及正确地产生空/满标志是设计异步FIFO的难点。

　　2.1 读写地址产生逻辑

　　读写地址线一般有多位，如果在不同的时钟域内直接同步二进制码的地址指针，则有可能产生亚稳态。例如，读指针从011变化到100时，所有位都要变化，读指针的每一位在读时钟的作用下，跳变不一致，即产生毛刺。如果写时钟恰好在读指针的变化时刻采样，得到的采样信号可能是000～111中的任何一个，从而导致空/满信号判断错误。由实践可知，同步多个异步输入信号出现亚稳态的概率远远大于同步一个异步信号的概率[3]。解决这一问题的有效方法是采用格雷码。格雷码的主要特点是相邻的两个编码之间只有一位变化。图4是格雷码产生的逻辑框图。在读使能或写使能信号有效、并且空/满标志无效的情况下，读写指针开始累加，进行FIFO读或写操作。二进制码与格雷码的转换是一个“异或”运算：gnext=(bnext>>1)^bnext。格雷码gnext 经寄存器输出格雷码指针ptr。这种方法采用了两组寄存器，虽然面积较大，但是有助于提高系统的工作频率。

　　2.2 空/满标志产生逻辑

　　正确地产生空/满标志是设计任何类型FIFO的关键点。空/满标志产生的原则是：写满而不溢出，能读空而不多读。传统的异步FIFO把读写地址信号同步后再进行同步比较以产生空满标志，由于读写地址的每一位都需要两级同步电路，大量使用寄存器必然要占用很大的面积。这种方法不适合设计大容量的FIFO。当读、写指针相等也就是指向同一个内存位置时，FIFO可能处于满或空两种状态，必须区分FIFO是处于空状态还是满状态。传统的做法是把读、写地址寄存器扩展一位，最高位设为状态位，其余低位作为地址位。当读写指针的地址位和状态位全部吻合时，FIFO处于空状态；当读写指针的地址位相同而状态位相反时， FIFO处于满状态。传统的异步FIFO工作频率低、面积大。下面将介绍一种产生空/满标志的新方法。