摘要：FIFO經(jīng)常應(yīng)用于從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)異步時(shí)鐘域。為解決異步FIFO設(shè)計(jì)過程中空滿標(biāo)志判斷難以及FPGA亞穩(wěn)態(tài)的問題，提出一種新穎的設(shè)計(jì)方案，即利用格雷碼計(jì)數(shù)器(每次時(shí)鐘到來僅有1位發(fā)生改變)表示讀／寫指針，設(shè)計(jì)二級(jí)同步鏈為跨越不同時(shí)鐘域的讀／寫指針，以提供充足的穩(wěn)定時(shí)間，并通過對(duì)比格雷碼指針產(chǎn)生空滿標(biāo)志位。該設(shè)計(jì)采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用ALTERA公司的FPGA得以實(shí)現(xiàn)。經(jīng)驗(yàn)證進(jìn)一步表明，模塊化的設(shè)計(jì)不僅避免了亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，增大平均無故障工作時(shí)間(MBTF)，也使工作效率大為提升。
關(guān)鍵詞：FIFO；異步；亞穩(wěn)態(tài)；格雷碼

    先進(jìn)先出緩存電路讀／寫(FIFO)在大規(guī)模邏輯設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，幾乎每個(gè)芯片都要涉及，同樣在空空導(dǎo)彈的數(shù)據(jù)傳輸體系中也得以大量應(yīng)用。FIFO類型可以分為兩種，第一種為同步FIFO，即讀／寫時(shí)鐘是同步的，這里的同步不僅僅是指讀／寫時(shí)鐘為同一個(gè)時(shí)鐘，即屬于同一個(gè)時(shí)終域。當(dāng)讀／寫時(shí)鐘頻率為倍數(shù)關(guān)系，即相位關(guān)系確定時(shí)，也歸屬同步FIFO的范疇。另一種為異步FIFO，讀／寫時(shí)鐘頻率不成倍數(shù)關(guān)系或相位關(guān)系不確定，即跨時(shí)鐘域。異步FIFO可以在不同的時(shí)鐘域之間快速方便地傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，因此在遙測數(shù)據(jù)傳輸中，異步FIFO實(shí)用性更好。然而如何正確地產(chǎn)生空滿標(biāo)志以及如果解決亞穩(wěn)態(tài)問題是異步FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 FIFO結(jié)構(gòu)
    首先，典型的FIFO結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。FIFO的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在具有獨(dú)立寫端口和讀端口的RAM中。讀指針r0_pointer指向下一個(gè)將要讀取的位置，寫指針wrpointer指向下一個(gè)將要寫入的位置，每1次寫操作后寫指針加1，讀操作使讀指針加1。狀態(tài)產(chǎn)生模塊中，full和empty表示FIFO讀／寫的臨界狀態(tài)。FIFO設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是產(chǎn)生讀／寫地址和空滿標(biāo)志。空滿標(biāo)志是基于引起指針相等的操作。如果是復(fù)位或者讀操作引起
讀／寫指針相等，F(xiàn)IFO認(rèn)為是空；如果原因是寫操作，那么FIFO認(rèn)為是滿。異步FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是如何同步跨時(shí)鐘域的指針以及空滿標(biāo)志的產(chǎn)生。

2 亞穩(wěn)態(tài)
    亞穩(wěn)態(tài)是當(dāng)信號(hào)在無關(guān)的電路中或異步時(shí)鐘域之間傳輸時(shí)導(dǎo)致FPGA系統(tǒng)失效的一種現(xiàn)象。包括FPGA在內(nèi)的所有數(shù)字器件的寄存器都定義了信號(hào)時(shí)序要求，以保證每一個(gè)寄存器都能夠從輸入端獲取數(shù)據(jù)和在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)。為了確保可靠的操作，輸入信號(hào)必須在時(shí)鐘沿之前穩(wěn)定一段時(shí)間(寄存器建立時(shí)間tsu)，并且在時(shí)鐘沿之后穩(wěn)定一段時(shí)間(寄存器保持時(shí)間th)，然后寄存器輸出經(jīng)過一個(gè)特定的時(shí)鐘到輸出延時(shí)后有效。滿足此要求寄存器才可以正確的在輸入端獲取數(shù)據(jù)在輸出端產(chǎn)生數(shù)據(jù)，否則輸出有可能是亞穩(wěn)態(tài)。在亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，寄存器的輸出電壓在高低電平之間搖擺，即輸出將有可能是邏輯0(0 V)或者邏輯1(+5 V)，或者是介于0～5 V中間的某個(gè)值。亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生機(jī)制圖如圖2所示，當(dāng)建立時(shí)間或者保持時(shí)間不滿足時(shí)序要求時(shí)便會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)。

    在同步系統(tǒng)中，輸入信號(hào)必須總是滿足寄存器時(shí)序要求，所以亞穩(wěn)態(tài)不會(huì)發(fā)生。亞穩(wěn)態(tài)問題通常發(fā)生在當(dāng)一個(gè)信號(hào)在無關(guān)的線路中或異步時(shí)鐘域中傳輸。一個(gè)寄存器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)和從亞穩(wěn)態(tài)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間依賴于制造商的制造工藝和使用環(huán)境。大部分情況下，寄存器會(huì)很快的進(jìn)入一個(gè)定義的穩(wěn)態(tài)中。在異步FIFO設(shè)計(jì)中就要避免亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。

3 解決問題的方法
3．1 同步寄存器
    當(dāng)信號(hào)在不相關(guān)或者異步時(shí)鐘域傳輸時(shí)，在新的時(shí)鐘域使用這個(gè)信號(hào)之前必須進(jìn)行同步，比如異步FIFO的讀指針被同步到寫時(shí)鐘域或?qū)懼羔槺煌降阶x時(shí)鐘域。新時(shí)鐘域里的第一個(gè)寄存器的作用就是一個(gè)同步寄存器。同步裝置中寄存器到寄存器路徑上的時(shí)序裕量可以為亞穩(wěn)態(tài)信號(hào)提供穩(wěn)定時(shí)間。由兩個(gè)寄存器組成的二級(jí)同步鏈如圖3所示，它大大的提高了系統(tǒng)的平均無故障工作時(shí)間(MTBF)，減少了信號(hào)傳輸過程中亞穩(wěn)態(tài)問題的風(fēng)險(xiǎn)。此外，可以通過三級(jí)同步進(jìn)一步增加MTBF值，但在實(shí)際中很少需要。

3．2 格雷碼(Gray code)計(jì)數(shù)器
    設(shè)計(jì)異步FIFO的原則是安全可靠地把數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘域。如果用一個(gè)相對(duì)于計(jì)數(shù)器時(shí)鐘是異步的時(shí)鐘來取樣計(jì)數(shù)器的值，就要考慮計(jì)數(shù)器的每一位在哪個(gè)范圍內(nèi)變化，每一位都有機(jī)會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，比如從FFFF變化到0000，這時(shí)每個(gè)單獨(dú)的位都處于亞穩(wěn)態(tài)。這種變化意味著讀數(shù)有可能是0000～FFFF之間的任意一個(gè)值。這種情況下FIFO將無法正常工作，于是設(shè)計(jì)一個(gè)格雷碼來表示的計(jì)數(shù)器，
因?yàn)楦窭状a是最小距離碼，相鄰的碼元只有1位不同，它可以避免因延遲不一致而引起的毛刺現(xiàn)象。
   
    計(jì)數(shù)器由觸發(fā)器組和累加器組成，處理格雷碼計(jì)數(shù)器的辦法為：將格雷碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼元，然后加1，再將它轉(zhuǎn)換回格雷碼并存儲(chǔ)，這是解決產(chǎn)生N位格雷碼算法棘手問題的一個(gè)辦法。異步FIFO的寫地址和讀地址由格雷碼計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，讀／寫指針均用格雷碼來表示，格雷碼計(jì)數(shù)器指針原理如圖4所示，當(dāng)FIFO非空或者非滿時(shí)，讀指針或者寫指針實(shí)現(xiàn)加1操作。

3．3 一種新穎的設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生空滿標(biāo)志
    空滿標(biāo)志位是通過比較讀／寫指針來判斷的，空滿標(biāo)志的判斷方法：對(duì)于二進(jìn)制地址來說，如果RAM大小為M，那么它需要的地址位寬度為N=log2 M。假設(shè)雙口RAM大小是8 B，所需尋址地址位寬度是3 b。如果讀／寫指針均用3位來表示的話，那么當(dāng)讀／寫指針相等時(shí)，無法判別是讀時(shí)針追上了寫時(shí)針造成讀空還是寫時(shí)針追上了讀時(shí)針造成寫滿，這樣就無法正確判斷空、滿標(biāo)志。為了方便的區(qū)分空、滿，讀／寫指針各增加1位，取地址指針寬度為log2M+1，尋址中沒有使用的最高位地址標(biāo)記為MSB，即讀／寫指針為N+1位，尋址范圍為2n。表1為格雷碼表示的4位地址指針。

    仔細(xì)觀察表1并分析數(shù)據(jù)，一種新穎的判斷空滿標(biāo)志的方法為：當(dāng)讀／寫指針的最高位(MSB)不相等且讀／寫指針的次高位不相等，剩余的N-2位地址相等時(shí)，此時(shí)寫指針追上了讀指針，即寫指針比讀指針多轉(zhuǎn)一圈，狀態(tài)模塊輸出滿標(biāo)志；當(dāng)讀／寫指針N+1位都相等時(shí)，狀態(tài)模塊輸出空標(biāo)志。判斷滿標(biāo)志部分的VHDL代碼：

   
3．4 異步FIFO總體設(shè)計(jì)
    通過時(shí)針比較產(chǎn)生的異步FIFO框圖如圖5所示。WCLK和RCLK分別為讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘，wrst_n和rrst_n分別為讀／寫模塊的復(fù)位信號(hào)。  rdata為數(shù)據(jù)輸出端口，wdata為數(shù)據(jù)輸入端口。異步FIFO通過讀／寫指針來尋址一個(gè)雙口RAM來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的讀／寫，雙口RAM的大小為2nB。讀指針被二級(jí)同步鏈到寫時(shí)鐘域，然后與寫時(shí)針比較產(chǎn)生滿標(biāo)志，讀指針產(chǎn)生讀地址raddress；寫時(shí)針被二級(jí)同步鏈同步到讀時(shí)鐘域，然后與讀時(shí)鐘比較產(chǎn)生空標(biāo)志，寫指針產(chǎn)生寫地址waddress。需要注意的是此異步FIFO設(shè)計(jì)中，空滿標(biāo)志是保守的空滿標(biāo)志，比如滿標(biāo)志，當(dāng)讀時(shí)針通過二級(jí)同步鏈同步到寫時(shí)鐘域且滿足滿標(biāo)志的條件時(shí)，寫指針停止加1操作，而同步讀指針的過程中，讀時(shí)針則移動(dòng)到了其他的地址，同樣的適合于空標(biāo)志，當(dāng)輸出空，滿時(shí)，其實(shí)FIFO的真實(shí)狀態(tài)是還有空間沒被寫滿或者讀空，這就是保守的空和滿，而這正保證了FIFO不會(huì)向上會(huì)向下溢出，進(jìn)一步提高了FIFO工作的可靠性。

    表2為平均無故障工作時(shí)間的對(duì)比，C1和C2依賴于器件工藝。

4 結(jié)語
    一個(gè)高的平均無故障工作時(shí)間表明一個(gè)設(shè)計(jì)是優(yōu)秀的，提高亞穩(wěn)態(tài)的平均無故障工作時(shí)間減少信號(hào)傳輸中導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)問題的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過研究FIFO的基本結(jié)構(gòu)以及FPGA亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理，提出了利用二級(jí)同步鏈和格雷碼計(jì)數(shù)器指針解決了同步以及空滿狀態(tài)判斷的難題，給出了VHDL軟件代碼，且該設(shè)計(jì)已經(jīng)通過QuartusⅡ的時(shí)序仿真驗(yàn)證，作為獨(dú)立模塊可以應(yīng)用到需要異步時(shí)鐘域傳輸數(shù)據(jù)的電路中，大大提高異步數(shù)據(jù)傳輸效率及平均無故障工作時(shí)間。