基于FPGA的高速异步FIFO的设计与实现

引言

　　现代集成电路芯片中，随着设计规模的不断扩大．一个系统中往往含有数个时钟。多时钟带来的一个问题就是，如何设计异步时钟之间的接口电路。异步FIFO(First In First Out)是解决这个问题的一种简便、快捷的解决方案。使用异步FIFO可以在两个不同时钟系统之间快速而方便地传输实时数据．在网络接口、图像处理等方面，异步FIFO都得到广泛的应用。异步FIFO是一种先进先出的电路，使用在数据接口部分，用来存储、缓冲在两个异步时钟之间的数据传输。在异步电路中，由于时钟之间周期和相位完全独立，因而数据的丢失概率不为零。如何设计一个可靠性高、速度高的异步FIFO电路便成为一个难点。

　　1 异步FIFO的工作原理及逻辑框图

　　本文根据实际工作的需要．给出了一种利用片内RAM构造FIFO器件的设计，重点强调了设计有效．可靠的握手信号FULL和EMPTY的方法。并在LATTICE公司的FPGA芯片LFXP2-5E上实现。LFXP2-5E属于LATIICE公司XP2系列的一款，他采用优化的FlexiFLASH结构。内部包含有基于查找表的逻辑、分布式和嵌入式存储器，锁相环(PLL)。工程预制的源同步I／0以及增强的SysDSP块。有166Kbits的EBRSRAM。利用其内部的EBRSRAM可以实现一定容量的异步FIFO．而无需单独购买FIF0器件。

　　由图1可以看出：异步FIFO一般由四个模块构成：数据存储单元，写地址产生模块，读地址产生模块，标志位产生模块。整个系统分为两个完全独立的时钟域—读时钟域和写时钟域：在写时钟域部分由写地址产生逻辑产生写控制信号和写地址：读时钟域部分，由读地址产生逻辑产生读控制信号和读地址；在标志位产生模块部分，由读写地址相互比较产生空／满标志。异步FIFO的操作过程为：在写时钟的上升沿．当写使能有效时，将数据写入到双口RAM中写地址对应的位置中：在读时钟的上升沿，当读使能有效时。则按先进先出顺序读出数据。在FIFO写满或读空的情况下。分别对满标志FuLL或空标志EMPTY信号置位。来表示FIFO的两种特殊状态。

图1异步FIFO逻辑框图

　　2 异步FIFO的VHDL实现读时钟

　　2．1 FIFO设计的难点

　　如何同步异步信号，使触发器不产生亚稳态是设计异步FIFO的难点。国内外解决此问题的较成熟办法是对写地址膜地址采用格雷码，本文也直接采用格雷码。异步FIFO设计的另一个难点是如何判断FIFO的空/满状态。为了保证数据正确的写入或读出。必须保证异步FIFO在满的状态下．不能进行写操作：在空的状态下不能进行读操作。通常情况下将存储器组织成一个环形链表。

　　满/空标志产生的原则是：写满不溢出．读空不多读。即无论在什么情况．都不应出现读写地址同时对一个存储器地址操作的情况。在读写地址相等或相差一个或多个地址的时候，满标志应该有效。表示此时FIFO已满，外部电路应停止对FIFO发数据。在满信号有效时写数据应根据设计的要求，或保持、或抛弃重发。同理，空标志的产生也是如此。为了更好的判断满／空标志。采用在FIFO原来深度的基础上增加一位的方法，而由该位组成的格雷码并不代表新的地址。也就是说3位格雷码可表示8位的深度，若再加一位最高位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7，而1100仍然表示7，只不过格雷码在经过一个以0位MSB的循环后进入一个以1为MSB的循环，然后又进入一个以0位MSB的循环。其他的三位码仍然是格雷码。举例说明：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)，N=3，指针宽度为N+I=4。开始rd_ptr_bin和wr_ptr_bin均为“0000”。此时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。

　　由以上可知。满标志的产生条件为：写指针赶上读指针．即写满后，又从零地址开始写直到赶上读指针，这时期读写指针的最高位不同，其他位相同，这就是满条件。空标志的产生条件为：复位或者是读指针赶上写指针．即在写指针循环到第二轮时读指针赶上写指针，这时读写指针的高低位均相同，这就是空条件。

　　2．2异步F1F0的VHDL语言实现

　　以下为本程序的核心部分

　　程序1格雷码计数器的实现

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　　3 仿真验证

　　基于以上的分析结合实际本文构造了一个8192x8的FIFO，用MODELSIM进行仿真。对该异步FIFO编写测试向量进行仿真，如图2所示。

图2仿真波形图

　　图2中，WClk为写时钟，Writeen_in为写使能，Full_out为满信号，Data_in为数据入，RClk为读时钟，ReadEn_in为读时能，Empty_out为空信号，Data_out为数据出，Clear_in为系统清零信号。上面部分为写地址产生模块部分的信号波形，从图2中可以看出．在写时钟的上升沿．在写时能为高有效期间擞据开始输入到RAM里面，而在读时钟的上升沿，在读时能有效时，在本仿真时间的195ns处．开始输出数据。将程序下载到LATTICE公司的FPGA芯片中，经过测试验证，系统的时钟频率可达33MHz。

　　4 总结

　　本文主要研究了用FPGA芯片实现异步FIFO的一种方法。详细阐述了空，满标志信号的产生方法。按照以上思想所设计的异步FIFO已经在实际电路中得到了应用。实践证明他可以解决大多数异步FIFO电路常见的错误。同时增加了系统的可靠性和应用灵活性。

　　本文作者创新点：通过对FPGA芯片内部EBRSRAM的深入研究．提出了一种利用格雷码对地址进行编码的异步FIFO设计方案。实践证明．增加了系统可靠性和应用灵活性。