异步FIFO设计的仿真与综合技术（4）

概述

        本文主体翻译自C. E. Cummings and S. Design, “Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design 一文，添加了笔者的个人理解与注释，文中蓝色部分为笔者注或意译。前文链接：

异步FIFO设计的仿真与综合技术（3）https://blog.csdn.net/apple_53311083/article/details/132859029?spm=1001.2014.3001.5502

FIFO style #1 

        FIFO样式#1的框图如图5所示：

        为了便于对风格#1的FIFO设计进行静态时序分析，该设计被划分为以下6个Verilog模块，具有以下功能和时钟域（这部分我们只是进行一个简单的介绍，具体的实现方式将在文章的后面部分带来）：

1、fifo1.v

        （参见第6.1节中的示例2）-这是包含所有时钟域的顶层封装模块。顶层模块仅用作一个封装来例化在设计中使用的所有其他FIFO模块。如果将这个FIFO用作更大的ASIC或FPGA设计的一部分，那么这个顶层封装模块可能会被丢弃，以允许将其他FIFO模块分组到它们各自的时钟域中，以改进综合和静态时序分析。

2、fifomem.v

        （参见第6.2节中的示例3）-这是由写和读时钟域同时访问的FIFO内存缓冲区。这个缓冲区很可能是一个实例化的同步双端口RAM。其他内存样式可以适应作为FIFO缓冲区。

3、sync_r2w.v

        （参见第6.3节中的示例4）-这是一个同步器模块，用于将读指针同步到写时钟域。同步读指针将被wptr_full模块用来生成FIFO满条件。此模块只包含与写时钟同步的触发器。此模块中不包含任何其他逻辑。

4、sync_w2r.v

        （参见第6.4节中的示例5）-这是一个同步器模块，用于将写指针同步到读时钟域。rptr_empty模块将使用同步的写指针来生成FIFO为空的条件。此模块只包含与读时钟同步的触发器。此模块中不包含任何其他逻辑。

5、rptr_empty.v

        （参见第6.5节中的示例6）-此模块与读时钟域完全同步，并包含FIFO读指针和空标志逻辑。 

6、wptr_full.v

        （参见第6.6节中的示例7）-此模块与写时钟域完全同步，并包含FIFO写指针和满标志逻辑。

        为了使用这种FIFO设计方式能够执行FIFO full和FIFO empty测试，必须将读写指针传递到相反的时钟域以进行指针比较。与其他FIFO设计一样，由于这两个指针是由两个不同的时钟域生成的，因此这些指针需要“安全地”传递到相反的时钟域。本文所展示的技术是同步格雷码指针，以确保一次只有一个位可以改变。

为什么要用格雷码

        以下的所有部分非原文内容，为笔者自行补充。

        在本文中使用到了格雷码指针，实际上在如今大量的异步FIFO的设计中，都会使用格雷码来替代二进制码来实现FIFO的指针，但是具体的原因在原论文中没有详细展开，只是简单提到了确保只有一个指针位被改变，这里我们进行一个简单的说明，为什么异步FIFO的设计一般会采用格雷码的形式来实现指针。

        我们知道了判断FIFO的空、满需要将读写指针分别同步，而跨时钟域传输的一旦没处理好就会引起亚稳态问题，造成指针的值异常，从而引发FIFO的功能错误。那么应该如何将读写指针同步到对方的时钟域呢？

1、避免使用二进制指针

        由于两个指针所处的时钟域不同，且彼此异步，在使用二进制计数器实现指针的时候，就会导致用于比较的指针值取样错误，例如：二进制指针FFF->000。这时所有的位都会同时发生改变，虽然能够通过同步计数器避免亚稳态，但是仍然可能得到极其不相关的取样值，所以同步计数器不是最终的解决方案。

        从FFF->000的可能情况有：

• FFF->000
• FFF->001
• FFF->010
• FFF->011
• FFF->100
• FFF->101
• FFF->110
• FFF->111

        如果同步时钟沿在FFF->000的中间到来，就可能将3位二进制数的任何值取样并同步到对侧时钟域，这就会使得FIFO同步后的读/写指针错误，从而导致FIFO的空/满信号错误，最终导致FIFO运行异常。

2、使用格雷码代替二进制实现指针

        实现FIFO指针的一种方式是使用格雷码，如下图所示：

        格雷码的一大优势是在从一个数变化到相邻的另一个数的时候，只有一个位发生变化，也就是一种单位间距码，因此，在发生转换时，最多出现一位的错误，例如，计数器从“1010”变化到 "1011"  ，取样值只可能是“1010”或者“1011”。即便没有采集到变化后的1011，也会采集到变化之前的1010，这就避免了由于采样指针错误导致的空/满信号错误的可能性。