FPGA FIFO深度计算

最新推荐文章于 2021-05-16 22:03:04 发布

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原文链接：http://www.cnblogs.com/yangjun1219/p/5598982.html

本文探讨了异步FIFO的应用场景及深度计算方法，包括突发数据传输情况下的FIFO深度计算，通过具体实例解析了如何确保数据在不同频率的读写时钟下不发生溢出。

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转自：http://comm.chinaaet.com/adi/blogdetail/37555.html

首先，一定要理解清楚FIFO的应用场景，这个会直接关系到FIFO深度的计算，如果是面试官抛出的问题，那么有不清楚的地方，就应该进行询问。如果是笔试或者工程中需要计算FIFO深度的话，那么就需要自己考虑清楚。

其次，异步FIFO，读写时钟不同频，那么FIFO主要用于数据缓存，我们选择的FIFO深度应该能够保证在最极端的情况下，仍然不会溢出。因此考虑的前提一般都是写时钟频率大于读时钟频率，但是若写操作是连续的数据流，那么再大的FIFO都无法保证数据不溢出。因此可以认为这种情况下写数据的传输是“突发Burst”的，即写操作并不连续，设计者需要根据满标志控制或者自己来控制写操作的起止。

宏观地，从整个时间域上看，"写数据=读数据"，这个条件必须要满足，如果这个大条件不满足的话，用FIFO是没有效果的。但是在发送方"突发"发送数据的时间T内，是很有可能写数据>读数据的，因此FIFO的深度要能够保证，在这段时间T内，如果接收方未能将发送方发送的数据接收完毕的话，剩下的数据都是可以存储在FIFO内部而且不会溢出的，那么在发送方停止发送数据的"空闲时隙"内，接收方可以从容地接收剩下来的数据。

红字部分就是个人认为在FIFO深度计算中，最重要的部分了。接着来看一个例子，这是我看一个网友写时，是他当时遇到的一道笔试题。

一个8bit宽的AFIFO，输入时钟为100MHz，输出时钟为95MHz，设一个package为4Kbit，且两个package之间的发送间距足够大。问AFIFO的深度。

因为这位网友可能只是简述，因此信息并不完整，我的个人理解是这样的场景，一个异步FIFO，读写频率不同，读写位宽相同。发送发一次Burst突发的数据量为4Kbit，即500Word，在两次Burst突发之间有足够的时间，因此我们只用考虑在发送方Burst发送数据的时间T内，如果接受方没法将数据全部接受，其余数据均可存在FIFO内且不溢出，那么在发送方停止Burst发送数据的时间段内，接收方就可以从容的从FIFO内读取数据。首先发送方Burst发送数据的时间段为 T = 500/100MHz，发送的数据量为 B_send = 500word，而在T这段时间内，接收方能够接受的数据量为B_rec = T*95MHz = 500 * 95 / 100 word = 475word，因此 B_remain = B_send - B_rec = 500 - 475 = 25 。那么FIFO的深度至少要大于等于25才行。

再看另外一个例子，还是从网上找到的，

写时钟频率w_clk,
读时钟频率r_clk,
写时钟周期里，每B个时钟周期会有A个数据写入FIFO
读时钟周期里，每Y个时钟周期会有X个数据读出FIFO
则，FIFO的最小深度是？

首先，我们可以认为写操作是Burst突发的。

其次，写操作的效率并不是100%的，而是A/B的，因此我们可以认为实际的F_wr = (A/B)*w_clk，同理，实际中F_rd = (X/Y)*r_clk。

另外，和第一个例子不同的是，这个题目里面并没有约束Burst突发的场景，在正常情况下，应该是这样的

空闲---Burst突发---空闲---Burst突发---空闲---Burst突发。但是我们在计算中，需要考虑最极端的情况，即

空闲---Burst突发---Burst突发---空闲---Burst突发---空闲。即传输过程中，可能会出现"背靠背"的情况，那么我们设计的FIFO深度必须能够保正，在"背靠背"的时间段内，如果接收方没法接受所有数据，那么剩余的数据可以被存储在FIFO内部且不会溢出。那么就可以开始计算了。假设"背靠背"时发送的数据 = BL，那么"背靠背"的时间 = BL / w_clk ，注意，这段时间内 F_wr = w_clk 而不是之前提到的 (A/B)*w_clk。在这段时间内，接收方可以接受的数据 = (BL / w_clk) * (X/Y)*r_clk ，

剩下的数据量 = BL - ( BL / w_clk ) * (X/Y)*r_clk，那么FIFO的深度至少就要为

" depth = BL - ( BL / w_clk ) * (X/Y)*r_clk "这样的深度了。

将上述公式变换下，得到 depth = BL - BL * (X/Y) * (r_clk/w_clk) 。这个公式就是网上流传的计算FIFO深度的公式，我想应该就是这个推理过程吧。

上述的讨论的一个前提就是FIFO的读写位宽一致，如果这个条件不满足的话，那么FIFO的深度的计算就更加复杂一些，但是我们还是可以把FIFO的读写位宽也折合成一定的因子，带入实际的F_wr = (A/B)*w_clk 和 F_rd = (X/Y)*r_clk 中去，应该是是可以解决的。

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