FPGA逻辑设计回顾（6）多比特信号的CDC处理方式之异步FIFO

前言

异步FIFO是处理多比特信号跨时钟域的最常用方法，简单来说，异步FIFO是双口RAM的一个封装而已，其存储容器本质上还是一个RAM，只不过对其添加了某些控制，使其能够实现先进先出的功能，由于这个功能十分的实用，因此得以广泛应用。 真双口RAM可以实现在一端存储，另一端读取的功能，两端的时钟可以不同，将数据存入一个容器，再取出来，这个过程在双口RAM的两端完全不存在亚稳态的问题。由于异步FIFO的实现中也存在数据的存取问题，和双口RAM类似，再加上空满信号的控制，存在跨时钟域的问题，因此只要处理好，空满信号的判断中的跨时钟域问题，就可以使用FIFO解决多比特信号的跨时钟域问题。 下面从多个方面来了解一下，异步FIFO的内容，最后会给出异步FIFO的一种普遍的实现方式及其仿真，让我们一起进入今天的内容吧。

异步FIFO的概念

异步FIFO的实现方式有很多种，这里说的实现方式可以理解为实现异步FIFO的技术方式，也可以指使用异步FIFO的选择方式，因为都有很多种！拿实现异步FIFO的技术方式来说，其重难点在于其空满信号的判断，它涉及到内部跨时钟域细节的实现、格雷码的转换以及空满信号的比较等。这里面的实现技术就各有不同了，但殊途同归，只能能巧妙地判断空满就可以凑合着用。下面给出一张异步FIFO的实现架构框图仅供参考：

另外，因为异步FIFO的应用已经太成熟了，手动设计起来破费一番功夫，所以FPGA各大厂家大都提供了专业的IP核供使用，功能齐全且性能良好，鲁棒性强，不用自己设计，在工程应用中，也基本都用IP核，除非想不开或者其他原因？

不妨打开Xilinx的FIFO定制页面：FIFO Generator来看：

可供定制的页面确实及其丰富，各种类型的空满信号、实现的资源选择应有尽有，手动实现这些可是要费大功夫的，没有资本的推动，恐怕很难有人去做这件事吧。

异步FIFO为什么可以解决CDC问题？

异步FIFO的接口如下：

再看其资源使用情况：

以上这两张图片显示的是Xilinx的异步FIFO IP的一种定制情况，可以看到FIFO就是在RAM的基础上的一个产物，通过处理RAM的读写端口来做成先进先出的存储器，实现FIFO的功能。

对于FIFO的读写有独立的时钟，说明读写可以是不同的时钟，因此可以实现不同时钟域数据的传输。

这好像只是说明了一个结论，异步FIFO可以作为处理跨时钟域处理的方法或载体，但是异步FIFO为什么可以用来处理跨时钟域传输问题呢？ 这和异步FIFO的具体实现有关！下面一起来看异步FIFO的实现！

异步FIFO的RTL实现

通过RTL实现异步FIFO之前，需要明白异步FIFO的几个重要的参数，也是我们设计的重点：

FIFO的深度：通俗地说，就是异步FIFO可以存多少个数据的意思！ FIFO的宽度：上面说异步FIFO的深度是表示能存放多少数据的概念，那宽度便是每个数据有多少位，也就是我们通常所说的数据有多宽！ FIFO空：表示FIFO里面数据被读完了； FIFO满：表示FIFO里面填满了数据； FIFO写指针：总是指向下一个将要被写入的单元，复位时，指向第1个单元(编号为0)； FIFO读指针：总是指向当前要被读出的数据，复位时，指向第1个单元(编号为0)； FIFO读时钟：表示读取数据使用的时钟，一般设计时钟的上升沿为有效沿，有效沿读取数据； FIFO写时钟：表示写入数据时使用的时钟，一般上升沿为有效沿，当然也可以设计下降沿为有效沿。

明白了如上的FIFO参数的概念，我们也该具体聊聊FIFO的关键细节了，例如最重要的空满判断条件： 上面也说了，FIFO空的意思是FIFO中没有了数据，可以思考，什么情况下FIFO中数据空了，其实FIFO类似一个容器，就水桶吧，倒进去的水，又全部倒了出来，水桶就是空的。FIFO也是如此，写进去的数据，又全部读了出来，表示FIFO空了。如下图：

写进FIFO4个数据，又读出了4个数据，读写指针指向了同一个地方，也就是读写指针相等了，FIFO就空了。这是最简单的情况，我们其往下看： 还是用上面的图片，如果继续往FIFO内写数据，写指针不断增加，写到尽头了，指针就会从0继续增加，直到写指针回到了最初的位置，再次与读指针处于同一个位置，这时候读写指针再次相等，但是你能说FIFO还是空的吗？如下图：

恰恰相反，此时FIFO是满的！ 这就带来了我们今天异步FIFO设计的第一个问题，就是读写指针与空满条件的判断之间的关系问题？

也不是没有解决办法，最直观的便是多增加一位表示读写指针，例如FIFO的深度为8，我们原来用3位表示读写指针即可，但是我们增加到4位，这样只要读写指针的最高位不相等，即便二者剩下的其他位相等也不能表示指针相等，也就是不能说FIFO为空，相反FIFO为满。

有人可能会有这样的疑问？ 还是上面的一幅图，如果FIFO满了之后，继续写数据，再来一圈，FIFO的读写指针不就又完全相等了吗？ 其实，这很好办，我们在设计FIFO的时候，判断FIFO为空的话就规定不能再读了，如果FIFO为满的话，就不能再继续写了，这就解决了这个疑问！

接着还需要讨论一个问题，如FIFO实现的框图：

如上图，判断FIFO的空满，需要读写指针跨时钟域传输，之后对比读写指针的大小，这就存在一个问题，那就是我们所说的跨时钟域问题，在这里具体来说便是读写指针的跨时钟域问题？ 怎么处理呢？由于读写指针有多位，对于多比特数据的CDC问题，我们一般不会直接两级同步过去，两级同步适用于单比特变化的数据！ 但是如上图的实现方式，好像还就是两级同步，这是什么原因呢？

如果非要使用两级寄存器同步的方式，我们就要控制每次只有1比特数据发生变化，如何实现呢？ 很容易，使用格雷码对读写指针计数值进行编码即可。

如下图：

可见，格雷码的每一次叠加只会发生1比特数据的变化。 在异步FIFO的实现中，读写指针的变化，我们仍然使用二进制加，之后将变化后的二进制通过组合逻辑转换为格雷码即可。 二进制转换为格雷码以及格雷码转换为二进制的方法，我们可以参考我以前的博文：二进制与格雷码之间的转换的Verilog实现（更多一点的讨论），这篇文章还顺便提到了generate for以及for语句的区别，推荐阅读。

这里为了后面的RTL编码铺垫，给出二进制编码与格雷码之间的转换示意图，避免翻阅的麻烦：

二进制转换为格雷码的方法：

伪代码描述为：

assign gray_value = binary_value ^ (binary_value>>1); 格雷码转换为二进制码的方法：

如上图，可以看出，可以从高位入手，格雷码的最高位即是二进制码的最高位，之后的二进制码的实现便是它本身的高1位与该位的格雷码进行异或，如下伪代码描述：

assign bin[N-1] = gray[N-1]; genvar i; generate for(i = N-2; i >= 0; i = i – 1) begin: gray_2_bin assign bin[i] = bin[i + 1] ^ gray[i]; end endgenerate

OK，解决了二进制码向格雷码的转换问题，我们继续分析： 二进制码转换成了格雷码并跨时钟域到了另一个时钟域，那接下来就是读写指针的格雷码形式的对比了，二进制的对比很简单，就是如果二者所有的位全部相等， 则表示空；如果二者最高位不同，但其他位相同，则表示满。 上述判断方法为二进制判断空满的方法，那么格雷码呢？ 我们分情况讨论：

对于空的判断：这就很简单，二进制完全相同，难道格雷码不完全相等吗？对的，同样完全相同表示空。 对于满的判断：从上面的格雷码与二进制码之间的转换可以确定一点，就是二者的最高位一致，因此当二进制码的最高位不等的时候，格雷码也一定不等，这一点毋庸置疑；同样由二者转换的原理图看出，由于二进制码时，二者的最高位不同，其余为相同，如下图：

二进制转换为格雷码的时候，次高位的格雷码和最高位相关，因此，二者的次高位一定不同，由于二进制码的次高位相同，因此次次高位相同，以此类推，剩余的更低位在二进制编码以及格雷码中完全相同。 这就得出了结论，在格雷码编码中确定满的条件是最高位，次高位都不同，但是其余位相同。

如下图：

0和8,1和9等，由于其二进制码的最高位不同，其余位相同，但是格雷码确是最高位和次高位都不同， 其余位相同。 这个问题到此就当做解决了。

难题都已经解决，下面就是异步FIFO的RTL实现工作了。

如果你读懂了上述的分析过程，那么本设计就十分清晰明了了，下面给出RTL设计：

module asyn_fifo#( parameter DATA_WIDTH = 8, parameter DATA_DEPTH = 32 )( //write ports input wr_clk, input wr_rst, input wr_en, input [DATA_WIDTH – 1 : 0] wr_data, output reg full, //read ports input rd_clk, input rd_rst, input rd_en, output reg [DATA_WIDTH – 1 : 0] rd_data, output reg empty ); // define FIFO buffer reg [DATA_WIDTH – 1 : 0] fifo_buffer[0 : DATA_DEPTH – 1]; //define the write and read pointer and //pay attention to the size of pointer which should be greater one to normal reg [$clog2(DATA_DEPTH) : 0] wr_pointer = 0, rd_pointer = 0; //write data to fifo buffer and wr_pointer control always@(posedge wr_clk) begin if(wr_rst) begin wr_pointer <= 0; end else if(wr_en) begin wr_pointer <= wr_pointer + 1; fifo_buffer[wr_pointer] <= wr_data; end end //read data from fifo buffer and rd_pointer control always@(posedge rd_clk) begin if(rd_rst) begin rd_pointer <= 0; end else if(rd_en) begin rd_pointer <= rd_pointer + 1; rd_data <= fifo_buffer[rd_pointer]; end end //wr_pointer and rd_pointer translate into gray code wire [$clog2(DATA_DEPTH) : 0] wr_ptr_g, rd_ptr_g; assign wr_ptr_g = wr_pointer ^ (wr_pointer >>> 1); assign rd_ptr_g = rd_pointer ^ (rd_pointer >>> 1); //wr_pointer after gray coding synchronize into read clock region reg [$clog2(DATA_DEPTH) : 0] wr_ptr_gr, wr_ptr_grr, rd_ptr_gr, rd_ptr_grr; always@(rd_clk) begin if(rd_rst) begin wr_ptr_gr <= 0; wr_ptr_grr <= 0; end else begin wr_ptr_gr <= wr_ptr_g; wr_ptr_grr <= wr_ptr_gr; end end //rd_pointer after gray coding synchronize into write clock region always@(wr_clk) begin if(wr_rst) begin rd_ptr_gr <= 0; rd_ptr_grr <= 0; end else begin rd_ptr_gr <= rd_ptr_g; rd_ptr_grr <= rd_ptr_gr; end end // judge full or empty always@(posedge rd_clk) begin if(rd_rst) empty <= 0; else if(wr_ptr_grr == rd_ptr_g) begin empty <= 1; end else empty <= 0; end always@(posedge wr_clk) begin if(wr_rst) full <= 0; else if( (rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0] == wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0]) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH)] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH)] ) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] ) ) begin full <= 1; end else full <= 0; end //对写满的限制 always@(posedge wr_clk or posedge wr_rst) begin if(wr_rst) begin wr_pointer <= 0; end else if(wr_en) begin if(!((rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0] == wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0]) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH)] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH)] ) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] ))) begin wr_pointer <= wr_pointer + 1; end else begin wr_pointer <= wr_pointer; end end else begin wr_pointer <= wr_pointer; end end //对读空的限制 always@(posedge rd_clk or posedge rd_rst) begin if(rd_rst) begin rd_pointer <= 0; end else if(rd_en) begin if(wr_ptr_grr != rd_ptr_g) begin rd_pointer <= rd_pointer + 1; end else begin rd_pointer <= rd_pointer; end end else begin rd_pointer <= rd_pointer; end end endmodule

这个程序唯一需要注意的是，最后对空满以后，读写指针的处理，例如：

//对读空的限制 always@(posedge rd_clk or posedge rd_rst) begin if(rd_rst) begin rd_pointer <= 0; end else if(rd_en) begin if(wr_ptr_grr != rd_ptr_g) begin rd_pointer <= rd_pointer + 1; end else begin rd_pointer <= rd_pointer; end end else begin rd_pointer <= rd_pointer; end end

读空了以后，读指针就不会再增加了。

//对写满的限制 always@(posedge wr_clk or posedge wr_rst) begin if(wr_rst) begin wr_pointer <= 0; end else if(wr_en) begin if(!((rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0] == wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 2 : 0]) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH)] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH)] ) && ( rd_ptr_grr[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] != wr_ptr_g[$clog2(DATA_DEPTH) – 1] ))) begin wr_pointer <= wr_pointer + 1; end else begin wr_pointer <= wr_pointer; end end else begin wr_pointer <= wr_pointer; end end

写满了以后，写指针就不会增加了。

其实这个不加上也可以，我们在使用的时候，通过判断空满条件来决定要不要让读写使能继续有效，同样可以达到控制数据读写的不溢出的问题。

下面简单搭建一个仿真平台，仿真出空满信号的发生：

module asyn_fifo_tb( ); parameter DATA_WIDTH = 8; parameter DATA_DEPTH = 16; //write ports reg wr_clk; reg wr_rst; reg wr_en; reg [DATA_WIDTH – 1 : 0] wr_data; wire full; //read ports reg rd_clk; reg rd_rst; reg rd_en; wire [DATA_WIDTH – 1 : 0] rd_data; wire empty; initial begin wr_clk = 0; forever begin #2 wr_clk = ~wr_clk; end end initial begin rd_clk = 0; forever begin #5 rd_clk = ~rd_clk; end end initial begin wr_rst = 1b1; rd_rst = 1b1; wr_en = 1b0; rd_en = 1b0; #10 wr_rst = 0; rd_rst = 0; #10 wr_en = #(0.2) 1b1; wr_data = #(0.2) $random; repeat(5) begin @(posedge wr_clk); wr_data = #(0.2) $random; end @(posedge wr_clk); wr_en = #(0.2) 1b0; wr_data = #(0.2) $random; #10 rd_en = #(0.2) 1b1; repeat(5) begin @(posedge rd_clk); end @(posedge rd_clk); rd_en = #(0.2) 1b0; #10 wr_en = #(0.2) 1b1; wr_data = #(0.2) $random; repeat(16) begin @(posedge wr_clk); wr_data = #(0.2) $random; end @(posedge wr_clk); wr_en = #(0.2) 1b0; wr_data = #(0.2) $random; end asyn_fifo#( .DATA_WIDTH ( DATA_WIDTH ), .DATA_DEPTH ( DATA_DEPTH ) )u_asyn_fifo( .wr_clk ( wr_clk ), .wr_rst ( wr_rst ), .wr_en ( wr_en ), .wr_data ( wr_data ), .full ( full ), .rd_clk ( rd_clk ), .rd_rst ( rd_rst ), .rd_en ( rd_en ), .rd_data ( rd_data ), .empty ( empty ) ); endmodule

下面是仿真结果分析：

下面给出空满时刻的注释：

最后想说的是，手动设计的异步FIFO只是为了让你了解异步FIFO的原理，但对于FPGA工程师来说，我们掌握了不代表平时一定要用自己写的异步FIFO，一般或者往往我们会使用fpga厂家自带的FIFO IP核，别人写好的模块，经过了严格的验证，让设计更加的稳定，且功能很多，如果偏要使用自己设计的FIFO，那么，后果自负吧。

参考资料

Gray Code Basics

二进制与格雷码之间的转换的Verilog实现（更多一点的讨论）

Verilog code for FIFO memory

FPGA基础知识极简教程（4）从FIFO设计讲起之异步FIFO篇

异步FIFO的FPGA实现

Getting the basic FIFO right

調試成功的簡單異步FIFO–verilog實現+testbench