基于XC3S400PQ208 FPGA芯片實現異步FIFO模塊的設計

隨著數字電子系統設計規模的擴大，一些實際應用系統中往往含有多個時鐘，數據不可避免地要在不同的時鐘域之間傳遞。如何在異步時鐘之間傳輸數據，是數據傳輸中一個至關重要的問題，而采用FIFO正是解決這一問題的有效方法。異步FIFO是一種在電子系統中得到廣泛應用的器件，多數情況下它都是以一個獨立芯片的方式在系統中應用。本文介紹一種充分利用FPGA內部的RAM資源，在FPGA內部實現異步FIFO模塊的設計方法。這種異步FIFO比外部 FIFO 芯片更能提高系統的穩定性。

1 FIFO的基本結構和工作原理

FIFO（First In First Out）是一種采用環形存儲結構的先進先出存儲器。其使用一個雙端口存儲器存放數據，數據發送方在一端寫入數據，接收方在另一端讀出數據，能夠協調好兩個時鐘域的工作，滿足高時鐘頻率的要求。FIFO在FPGA設計中主要用來緩沖數據和隔離時鐘或相位差異。訪問FIFO時不需要地址線，只需要數據線和讀寫控制信號線，且數據地址由內部讀寫指針自動加1完成，因此利用FIFO實現數據的緩存具有接口簡單、讀寫方便的優點。

根據FIFO的工作時鐘，可將FIFO分為同步FIFO和異步FIFO。同步FIFO是指讀時鐘和寫時鐘為同一個時鐘，在時鐘沿來臨時同時進行讀寫操作；異步FIFO是指讀寫時鐘不是同一個時鐘，而是相互獨立的。實際上，工作在同一時鐘的FIFO很少用到，多數都是讀寫時鐘獨立的異步FIFO。本文設計的異步FIFO位寬為8，深度（即FIFO可以存儲8位數據的個數）為1 024。異步FIFO的結構如圖1所示。

雙端口RAM存儲器具有獨立的讀寫端口。如果用一個單端口RAM存儲器實現異步FIFO，還應該包含一個仲裁器來保證同一時刻只能有一種操作（讀或寫操作）。本文選擇的雙端口RAM并不一定是真正的雙端口，只要有獨立的讀寫端口即可。讀寫控制邏輯由加法計數器構成，實現讀寫地址的自動加1功能。空／滿標志位的產生邏輯給系統提供空（empty）和滿（full）信號。

2 異步FIFO設計中的問題與解決辦法

2．1 亞穩態問題

在含有觸發器的電路中往往會出現亞穩態問題。亞穩態會使異步FIFO的讀寫地址發生錯誤，產生誤讀或者誤寫。為此異步FIFO設計中亞穩態問題也是一個比較重要的問題。亞穩態不可能完全消除，只能使其出現的概率降到最低。主要有2種方法來降低亞穩態出現的概率：

①采用觸發器冗余方式。即采用多個觸發器級聯的方式，使本來出現概率為P的亞穩態，其出現概率降低到P2，但這種方式會導致延時增加。

②使用格雷碼。格雷碼的相臨碼元之間只有一位發生變化，這就大大地降低了亞穩態出現的概率。本文采用格雷碼方式。

2．2 空／滿標志位的判斷

為保證數據的正確寫入和讀出，不發生寫滿和讀空操作，怎樣判斷空／滿標志位的產生就成為異步FIFO設計的核心問題。異步FIFO是環形存儲的，當讀寫地址指針相等時，意味著空標志位或者滿標志位的產生。但是卻不能確定是寫滿還是讀空狀態。為解決這一問題，本文將轉換為格雷碼后的讀寫地址指針分別經過檢測和計數器。每當讀寫指針遍歷一圈（當讀寫地址指針指向雙端口RAM的最后一個地址）時，寫計數i加1，讀計數j加1。這樣寫滿狀態和讀空狀態的判斷就需要同時滿足兩個條件。下面分別給出寫滿和讀空狀態的判斷。

①寫滿狀態的判別：當讀地址指針等于寫地址指針，并且i》j時，產生滿標志。

②讀空狀態的判別：當寫地址指針等于讀地址指針，并且i=j時，產生空標志。

由于空／滿標志位產生的結構圖對稱，故本文只給出滿標志位產生的結構圖，如圖2所示。其中，主數i為寫地址指針遍歷的圈數，計數j為讀地址指針遍歷的圈數。

從圖2中可看出，地址指針轉換為格雷碼后，經過檢測和計數環節，將讀寫地址和讀寫指針遍歷的圈數分別送入比較器進行比較，從而準確地產生滿標志位。

3 FPGA內部軟異步FIFO設計

本設計中FPGA采用的是Xilinx Spartan3系列中的XC3S400PQ208。內部有56 Kb的分布式RAM和288 Kb的RAM，以及4個DCM（數字時鐘管理器）單元，為系統提供獨立的讀寫時鐘頻率。可以利用這些資源在FPGA內部實現異步FIFO模塊。本文采用 VHDL語言對雙端口RAM的讀寫操作進行編程，實現FPGA內部軟FIFO的設計。部分讀寫雙端口RAM和空／滿標志位的判斷源程序如下：

4 系統仿真

如果系統的讀時鐘頻率大于寫時鐘頻率，就有可能出現讀空的情況；如果系統的寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，就可能出現寫滿的情況。在實際系統中，一般都設置寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，故本文只考慮后一種情況。

本系統采用QuartusIl8．1對系統進行仿真，由于系統深度較大，所以設定仿真時間為100 μs。系統剛上電時，雙端口RAM中暫時沒有數據，此時系統處于讀空狀態，empty變為高電平，full保持低電平，如圖3所示。隨著RAM中數據的不斷寫入，系統進入寫滿狀態，此時full變為高電平，而empty變為低電平，如圖4所示。