异步FIFO设计：基于无同步比较的高效模拟与合成方法

本文主要探讨了异步FIFO（First-In-First-Out）的设计技术，特别是针对在不同时钟域中生成的写入和读取指针进行异步比较的方法。这种设计技术对于减少同步触发器（synchronization flip-flops）的需求具有显著优势，从而简化了硬件实现并可能提高系统性能。 异步FIFO设计的核心在于利用时钟域交叉（Clock Domain Crossing, CDC）的概念，通过在不同时钟周期内比较两个独立计数器的状态来判断FIFO的状态，如是否已满或已空。这避免了传统同步FIFO中对全局时钟同步的需求，降低了设计复杂性和潜在的信号完整性问题。为了实现这一功能，设计者通常会采用结合二进制和格雷码（Gray code）的计数器，这样可以充分利用硬件中的内置二进制进位逻辑，同时提供更高的识别精度，减少了错误发生的可能性。 设计过程不仅涉及硬件描述语言（HDL）如Verilog或SystemVerilog的编写，而且需要深入理解高级综合工具如ExpertVerilog和Synthesis Training的原理，以便正确地进行行为仿真（simulation）和逻辑综合（synthesis）。本文提供了完全编码、合成和分析过的RTL Verilog模型（FIFO Style #2），这个模型展示了如何在异步环境下构建FIFO，并演示了在设计中如何处理时钟恢复（clock recovery）和数据采样等问题。 与传统的同步FIFO设计相比，该方法在设计速度、灵活性和效率上有所提升，但同时也带来了额外的设计挑战，例如分析时钟路径延迟、数据一致性以及潜在的冒险信号。作者Clifford E. Cummings和Peter Alfke，分别来自Sunburst Design, Inc.和Xilinx, Inc., 在这篇论文中分享了他们在实际项目中的实践经验和技术细节，帮助读者更好地理解和应用异步FIFO比较技术。 这篇文章对于那些从事高速接口设计、嵌入式系统开发或者需要处理多时钟域通信的工程师来说，是一份宝贵的参考资料，它不仅提供了理论基础，还提供了实用的设计步骤和案例分析，有助于优化异步FIFO的设计实践。