异步FIFO中读写指针为什么要用格雷码

首先要了解的是异步FIFO使用格雷码的唯一目的就是“即使在亚稳态进行读写指针抽样也能进行正确的空满状态判断”。


那么典型的判断方法是怎样进行的呢？以满状态判断为例，先要对读指针（属于读时钟域）在写时钟域进行抽样，然后才能与写指针进行比较，如果写指针赶上了读指针，说明已经写满，写操作必须暂停。


接下来说说为什么2进制指针不适合做空满判断。事实上2进制读指针在增减时，经常发生多位突变，比如6位地址111111会在下一时刻变成000000，在实际电路中，这个变化过程要持续很长一段时间，会由111111经历6个状态转移到达000000。比如111111-> 101111 -> 100111 ->100110 -> 100100 -> 000100-> 000000。由于写时钟与读时钟不同步，异步的写时钟很可能会在状态不稳定的中间某个状态抽样，这样就会得到错误的读指针，进而做出错误的状态判断，导致系统异常。而且由于多位同时突变，凭借概率论常识可知发生错误的可能性很大。


那么怎样才能避免这个问题的发生呢？显然，在中间状态抽样，这个是不可避免的，这是异步系统天生的缺陷。我们的目标是：即使在中间状态抽样，也要不影响空满状态的判断。符合这个要求的编码方法是每次只能有1个比特发生改变。为什么这么说呢？因为当只有一个比特发生改变时，即使在中间状态抽样，其结果也不外乎两种：递增前原指针和递增后新指针。显然递增后新指针是最新情况的反映，如果抽样到这个指针，那么和我们的设计预期是一致的，如果抽样到递增前的原指针，会有什么结果呢？假设现在抽样读指针，那么最坏的情况就是把“不满”判断成了“满”，使得本来被允许的写操作被禁止了，但是这并不会对逻辑产生影响，只是带来了写操作的延迟。同样的，如果现在抽样写指针，那么最坏的情况就是把“不空”判断成了“空”，使得本来被允许的读操作被禁止了，但是这也不会对逻辑产生影响，只是带来了读操作的延迟。

显然每次只变化1比特的编码方案可以有效解决中间状态下空满状态的判断问题，格雷码就是这样的一种编码。