一種基于ASIC的高速異步FIFO設計*

丁彬勇，白雪飛，黃 魯

(中國科學技術(shù)大學 電子科學與技術(shù)系 集成電路實驗室,安徽 合肥 230027)

在現(xiàn)代集成電路設計中,隨著集成度的不斷提升，常常會遇到數(shù)據(jù)緩存與不同時鐘域之間數(shù)據(jù)傳遞的問題，在不同系統(tǒng)間如不能設計出有效的接口單元，將會產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸過程中的復寫、丟失和無效數(shù)據(jù)的讀入等錯誤，同時亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象也會出現(xiàn)在不同時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳遞過程中。此時，如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速有效的傳輸并克服跨時鐘域間數(shù)據(jù)傳遞時的亞穩(wěn)態(tài)成為一個關鍵點問題。由于異步FIFO （First In First Out）能夠有效解決不同傳輸速度和不同時鐘域之間數(shù)據(jù)傳遞的問題，異步FIFO在實際電路中得到廣泛的運用。本文介紹一種基于ASIC的高速異步FIFO的設計和實現(xiàn)方案。

1 異步FIFO的基本功能和結(jié)構(gòu)

異步FIFO指在不同時鐘域之間，由一個時鐘域?qū)懭耄龑懭霐?shù)據(jù)穩(wěn)定之后，由另一個時鐘域讀出。圖1為異步FIFO的基本結(jié)構(gòu)框圖，F(xiàn)IFO的存儲單元采用雙端口RAM的解決方式，同步模塊SYNC完成異步讀寫時鐘域之間指針信號的同步過程，將同步前后的指針送到 wrfull、rdempty模塊，產(chǎn)生 wrfull、rdempty信號，從而構(gòu)成一個完整的FIFO。

表1 FIFO各信號列表

2 異步信號同步的關鍵問題

在不同時鐘域之間傳遞的信號，由于兩個時鐘之間沒有清楚的相位和頻率關系，很容易出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。亞穩(wěn)態(tài)是指觸發(fā)器無法在某個規(guī)定的時間段內(nèi)達到一個可以確認的狀態(tài)。當一個觸發(fā)器進入亞穩(wěn)態(tài)時，觸發(fā)器會輸出一些中間電平，或者可能處于振蕩狀態(tài)。在數(shù)字電路中，如果將亞穩(wěn)態(tài)信號直接應用于后續(xù)的組合邏輯，將會產(chǎn)生難以預測的結(jié)果。圖2所示為異步時鐘的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，圖中CLK_A和CLK_B為異步時鐘。

圖2 異步時鐘和亞穩(wěn)態(tài)

亞穩(wěn)態(tài)是不可避免的，但可以采用合適的方法將其降低到一個合適的低概率水平。

首先可以從讀寫地址指針的編碼入手。若采用傳統(tǒng)的二進制計數(shù)，地址指針的每次增加，則有可能出現(xiàn)從全1到全0的所有位的同時跳變，這種情況使得出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率大大增加。本文將采用一種特殊的編碼方式，使得地址指針的每次增加只會出現(xiàn)一位改變，從而減小亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。

其次可以采用兩級鎖存的辦法。如圖3所示，在一個信號進入另一個時鐘域前，將該信號用兩級觸發(fā)器進行鎖存，即使第一級觸發(fā)器的輸出出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，經(jīng)過一個時鐘周期之后，進入第二級觸發(fā)器的信號已經(jīng)穩(wěn)定到一個確定的電平，從而兩級鎖存的輸出可以有效減小亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生的概率。

3 異步FIFO的具體結(jié)構(gòu)

3.1 讀寫指針

傳統(tǒng)的FIFO指針編碼采用格雷碼編碼的方式。用格雷碼表示的地址指針，每次指針的增加，地址指針只會有一位發(fā)生變化，降低了指針信號跳變的次數(shù)，從而有效減小了亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的概率[1]。

與格雷碼編碼不同，本文設計的FIFO，其指針編碼采用的是一種稱為移位碼的編碼方式，移位碼的計數(shù)規(guī)則是每左移一位，將最高位取反后移入最低位[2]。表2分別列出了二進制碼、格雷碼與移位碼的對比情況。

表2 二進制碼、格雷碼和移位碼

由表2可知，移位碼每個相鄰的碼字之間只有一位不同，該特性與格雷碼相似，可以有效減小亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的概率；并且移位碼計數(shù)一個周期等同于二進制碼計數(shù)兩個周期，這在之后產(chǎn)生空滿標志的過程中將會有很好的應用。

當FIFO的深度為n時，二進制碼和格雷碼的碼字長度是log2(n)，而移位碼的碼字長度為n，這也是移位碼的一個缺點，碼字長，造成電路中需要更多的寄存器，使得電路面積增大，不過由于計數(shù)和產(chǎn)生空滿標志位電路的結(jié)構(gòu)更簡單，使得面積又得以有效減小。移位碼計數(shù)電路非常簡單，采用移位碼編碼的寫指針計數(shù)電路如圖4所示，其中wr_ptr為時鐘同步后的指針輸出，wr_ptr_nxt為下一時鐘指針預輸出，讀指針與之相似。

圖4 移位碼寫指針計數(shù)電路

3.2 存儲單元

FIFO的存儲器可以采用定制的雙端口RAM或DFF搭建而成。由于本文設計的32×8的FIFO存儲容量不大，所以都是采用DFF搭建而成。

觀察表2的移位碼可以看出，若將當前移位碼與下一位移位碼異或，即可快速得到用于存儲單元的尋址信號，以下為寫地址描述，讀地址與之相似。

assign wr_addr=wr_ptr^wr_ptr_nxt;

3.3 空滿標志位

空滿標志位的產(chǎn)生,首先要對讀寫指針進行同步,同步方法即采用前文所述的三級DFF進行不同時鐘域之間的同步。采用格雷碼編碼方式時，在同步之前需將二進制地址指針轉(zhuǎn)化為格雷碼進行同步，同步之后再轉(zhuǎn)化為二進制碼來產(chǎn)生空滿標志[3]，這就使得電路結(jié)構(gòu)復雜化，無形中就增加了電路面積。而在采用移位碼編碼方式下，由于移位碼的每次改變只有一位發(fā)生變化，因此直接采用兩級DFF對其地址指針進行同步，同步之后將同一時鐘域內(nèi)的讀寫指針進行比較就可以產(chǎn)生空滿標志位了。

仔細觀察表2可以看出一種產(chǎn)生空滿標志位的巧妙方法：當寫指針等于同步到寫時鐘域內(nèi)的讀指針按位取反時，表示寫指針在多遍歷一邊FIFO的基礎上追上了讀指針，即FIFO已滿。又由于滿標志的產(chǎn)生是因為寫時鐘域內(nèi)的寫指針的增加，失效是由于讀時鐘域內(nèi)讀指針的增加，所以要把滿標志信號同步到寫時鐘域[4]，產(chǎn)生wrfull信號，Verilog實現(xiàn)如下：

空標志位的產(chǎn)生與滿標志有一點不同，當讀指針與寫指針相同時，表示讀指針追上了寫指針，且二者遍歷FIFO的次數(shù)相同，即FIFO已空，同樣也需要將空標志信號同步到讀時鐘域內(nèi),其Verilog的描述在此不再贅述。

4 設計實現(xiàn)結(jié)果

圖5所示為移位碼方式實現(xiàn)32×8的FIFO的仿真圖，該圖截取了FIFO從只寫狀態(tài)到寫滿的波形圖，從圖5中可以看出，當寫指針等于同步到寫時鐘域內(nèi)的讀指針r2w_ptr_sync按位取反時,寫滿標志位wrfull跳變?yōu)楦?且wrfull的輸出與寫時鐘wrclk同步。圖6所示為FIFO從只讀狀態(tài)到讀空的波形圖。由波形分析可知，該FIFO很好地實現(xiàn)了FIFO先進先出及產(chǎn)生空滿標志的功能。

圖5 FIFO的寫滿標志仿真結(jié)果

圖6 FIFO的讀空標志仿真結(jié)果

將本文設計的 32×8的 FIFO在 SMIC 0.18 μm CMOS工藝下進行綜合，將綜合結(jié)果列于表3。作為對比，利用格雷碼編碼設計了一個同樣大小的FIFO，也將其綜合的結(jié)果列于表3。綜合時鐘是 500 MHz（周期為 2 ns）。由表3可以看出采用移位碼方式設計的FIFO在500 MHz的時鐘約束下，時序仍可以收斂，關鍵路徑中最差的保持時間余量（slack）仍為正，而采用格雷碼方式設計的FIFO的slack已經(jīng)為負，同時移位碼方式設計的FIFO面積也比格雷碼方式小，動態(tài)功耗也有一定程度的降低。

表3 32×8異步FIFO綜合結(jié)果對比

本文設計了一種采用移位碼編碼的FIFO，采用這種編碼方式，同時解決了亞穩(wěn)態(tài)和產(chǎn)生空滿標志位的問題，電路結(jié)構(gòu)更為簡單，縮短了電路中的關鍵路徑，使得電路時序更加優(yōu)化，工作頻率明顯提升，電路面積和功耗也有一定的降低。該種FIFO已用于基于BPSK(移相鍵控)調(diào)制的超寬帶基帶芯片中,能穩(wěn)定工作在500 MHz的時鐘頻率下。

[1]汪東，馬劍武，陳書明.基于 Gray碼的異步 FIFO接口技術(shù)及其應用[J].計算機工程與科學，2005，27(1):58-60.

[2]周敏.高速異步 FIFO的設計和實現(xiàn)[J].計算機工程與科學，2009，31(2):85-87.

[3]CUMMINGS C E，ALFKE P.Synthesis and synthesis techniques for asynchronous FIFO design with asynchronous pointer comparisons[Z].SNUG，2002.

[4]CUMMINGS C E.Synthesis and scripting techniques for designing multi-asynchronous clock design[Z].SNUG，2001.