异步FIFO设计策略：解决跨时钟域难题与同步控制

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本文主要探讨了一种异步FIFO的设计方法，异步FIFO在FPGA开发中扮演着关键角色，尤其是在处理来自不同时钟域的数据同步问题时。设计一个功能正确的异步FIFO并非易事，因为它涉及跨时钟域的逻辑判断，这对系统稳定性和一致性有直接影响。在异步FIFO中，数据的写入和读出分别由不同的时钟驱动，这就意味着写指针和读指针的移动是由各自独立的时钟信号控制的。核心挑战在于如何正确地检测FIFO的空闲状态（无数据可读）和已满状态（无法再写入数据）。文章首先回顾了同步FIFO的基本工作原理，如读写指针的递增、溢出和无效读写信号的处理，以及满空信号的逻辑设计。在异步FIFO设计中，关键在于设计一个可靠的握手机制，比如利用二进制格雷码或者其他同步技术，确保在不同时钟周期内，读写指针的相对位置能够准确反映FIFO的状态。文章可能提出了两种不同的异步FIFO设计思路，每种思路都通过精心设计的逻辑电路，如预读/预写逻辑或者使用额外的标志寄存器，来解决指针同步问题。设计过程中可能考虑的因素包括时钟同步技术的选择、数据有效性检查、错误检测和纠正机制，以及如何在硬件层面最小化延迟和功耗。此外，可能还讨论了针对不同应用场景（如高速串行接口、多核处理器通信等）的优化策略，以适应不同的性能需求。总结来说，本文深入研究了异步FIFO的设计技巧，强调了正确处理时钟域差异的重要性，旨在提供一套实用且稳定的异步FIFO设计流程，以提高整个系统的可靠性和性能。对于从事FPGA设计的工程师来说，理解并掌握这些方法是至关重要的，因为它们直接影响到系统的稳定性和设计效率。

一种异步 FIFO 的设计方法

摘要：使用 FIFO 同步源自不同时钟域的数据是在数字 IC 设计中经常使用的方法，设计功能正确的 FUFO

会遇到很多问题，探讨了两种不同的异步 FIFO 的设计思路。两种思路都能够实现功能正确的 PIFO。

 关键词：异步 FIFO 握手同步二进制格雷码

本文所研究的 FIFO，从硬件的观点来看，就是一块数据内存。它有两个端口，一个用来写数据，就

是将数据存入 FIFO；另一个用来读数据，也就是将数据从 FIFO 当中取出。与 FIFO 操作相关的有两个指

针，写指针指向要写的内存部分，读指针指向要读的内存部分。FIFO 控制器通过外部的读写信号控制这

两个指针移动，并由此产生 FIFO 空信号或满信号。

对于异步 FIFO 而言，数据是由某一个时钟域的控制信号写入 FIFO，而由另一个时钟域的控制信号

将数据读出 FIFO。也就是说，读写指针的变化动作是由不同的时钟产生的。因此，对 FIFO 空或满的判断

是跨时钟域的。如何根据异步的指针信号对 FIFO 的满状态或空状态进行正确的判断是本文研究的重点。

此外，设计过程中的一些细节问题也将在文中涉及到。

1 指针以及满空信号的产生

为了更好地说明问题，先探讨一下同步 FIFO 指针移动以及满空信号的产生过程。对于同步 FIFO，

读写指针都指向一个内存的初始位置，每进行一次读写操作，相应的指针就递增一次，指向下一个内存位

置。当指针移动到了内存的最后一个位置时，它又重新跳回初始位置。在 FIFO 非满或非空的情况下，这

个过程将随着读写控制信号的变化一直进行下去。如果 FIFO 处于空的状态，下一个读动作将会导致向下

溢出(underow)，一个无效的数据被读人；同样，对于一个满了的 FIFO，进行写动作将会导致向上溢

出(overow)，一个有用的数据被新写入的数据覆盖。这两种情况都属于误动作，因此需要设置满和空两

个信号，对满信号置位表示 FIFO 处于满状态，对满信号复位表示 FIFO 非满，还有空间可以写入数据；

对空信号置位表示 FIFO 处于空状态，对空信号复位表示 FIFO 非空，还有有效的数据可以读出。

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