异步fifo的设计（二）

这篇文章接上一篇文章讲，首先看一下异步fifo设计的整体框图：

    在该设计中会有6个小模块：

   1、fifo.v这个模块是顶层模块；

   2、fifomem.v:这个模块是fifo的内存缓冲器，该内存属于双端RAM

   3、sync_r2w.v:这个模块是将读指针rd_ptr同步化到写的时钟域；

   4、sync_w2r.v:这个模块是将写指针wr_ptr同步化到读的时钟域；

   5、rd_ptr_empty：这个模块是判断fifo是否处于空状态；

   6、wr_ptr_full:这个模块主要是判断fifo是否处于满状态；

其中代码如下：

module fifo #(parameter size_data=8,              parameter size_addr=4)(input wr_inc,wr_clk,wr_rst, input rd_inc,rd_clk,rd_rst, input [size_data-1:0]wr_data, output wr_full,rd_empty, output [size_data-1:0]rd_data,);  wire [size_addr-1:0] wr_addr,rd_addr; wire [size_addr:0]wr_ptr,rd_ptr,wq2_rd_ptr,rq2_wr_ptr;  sync_r2w m1(wr_clk,wr_rst,rd_ptr,wq2_rd_ptr); sync_w2r m2(rd_clk,rd_rst,wr_ptr,rq2_wr_ptr); ram_fifo m3(wr_clk,wr_en,wr_addr,rd_addr,wr_full,wr_data,rd_data); rd_empty m4(rd_clk,rd_rst,rd_inc,rd_ptr,rq2_wr_ptr,rd_addr,rd_empty); wr_full  m5(wr_clk,wr_rst,wr_inc,wq2_rd_ptr,wr_full,wr_addr,wr_ptr);endmodule

module ram_fifo(wr_clk,wr_en,wr_addr,rd_addr,wr_full,wr_data,rd_data);parameter size_addr=4;parameter size_data=8;input wr_clk;input wr_en;input [size_addr-1:0]wr_addr,rd_addr;input [size_data-1:0]wr_data;input wr_full;output [size_data-1:0]rd_data;wire   [size_data-1:0]rd_data;localparam depth=1<<size_addr;reg [size_data-1:0] ram [depth:0];assign rd_data=ram[rd_addr];//读数据always@(posedge wr_clk)beginif(wr_en&&(!wr_full)) begin  ram[wr_addr]<=wr_data; endendendmodule 

module sync_w2r(rd_clk,rd_rst,wr_ptr,rq2_wr_ptr);parameter size_addr=4;input rd_clk,rd_rst;input [size_addr:0]wr_ptr;output[size_addr:0]rq2_wr_ptr;reg   [size_addr:0]rq2_wr_ptr;reg   [size_addr:0]rq1_wr_ptr;always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst)begin if(!rd_rst) {rq2_wr_ptr,rq1_wr_ptr}<=0; else  {rq2_wr_ptr,rq1_wr_ptr}<={rq1_wr_ptr,wr_ptr};endendmodule

module sync_r2w(wr_clk,wr_rst,rd_ptr,wq2_rd_ptr);parameter size_addr=4;input wr_rst,wr_clk;input [size_addr:0]rd_ptr;output[size_addr:0]wq2_rd_ptr;reg   [size_addr:0]wq2_rd_ptr;reg   [size_addr:0]wq1_rd_ptr;always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst)begin if(!wr_rst) {wq2_rd_ptr,wq1_rd_ptr}<=0; else {wq2_rd_ptr,wq1_rd_ptr}<={wq1_rd_ptr,rd_ptr};endendmodule

module rd_empty(rd_clk,rd_rst,rd_inc,rd_ptr,rq2_wr_ptr,rd_addr,rd_empty);parameter size_addr=4;input rd_clk,rd_rst,rd_inc;input [size_addr:0] rq2_wr_ptr;output[size_addr:0] rd_ptr;output[size_addr-1:0] rd_addr;output rd_empty;reg   [size_addr:0] rd_ptr;wire   [size_addr-1:0] rd_addr;reg    rd_empty;reg  [size_addr:0] rd_bin;wire  [size_addr:0] rd_bin_next,rd_grey_next;wire rd_empty_val;//用来判断是否为空always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst)begin if(!rd_rst) {rd_bin,rd_ptr}<=0; else {rd_bin,rd_ptr}<={rd_bin_next,rd_grey_next};endassign rd_addr=rd_bin[size_addr-1:0];//读地址的生成逻辑assign rd_bin_next=rd_bin+(rd_inc&(~rd_empty));//读指针的二进制形式assign rd_grey_next=(rd_bin_next<<1 )^ (rd_bin_next);//读指针的格雷码形式以及生成逻辑assign rd_empty_val=(rq2_wr_ptr==rd_grey_next);//判断fifo是否为空always@(posedge rd_clk or negedge rd_rst)begin if(!rd_rst) rd_empty=1'b1; else rd_empty<=rd_empty_val;endendmodule

module wr_full(wr_clk,wr_rst,wr_inc,wq2_rd_ptr,wr_full,wr_addr,wr_ptr);parameter size_addr=4;input wr_clk,wr_rst,wr_inc;input [size_addr:0]wq2_rd_ptr;output[size_addr-1:0]wr_addr;output[size_addr:0]wr_ptr;output wr_full;wire   [size_addr-1:0]wr_addr;reg   [size_addr:0] wr_ptr;reg   wr_full;reg [size_addr:0] wr_bin;wire[size_addr:0] wr_bin_next,wr_grey_next;wire wr_full_val;always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst)begin if(!wr_rst) {wr_bin,wr_ptr}<=0; else {wr_bin,wr_ptr}<={wr_bin_next,wr_grey_next};endassign wr_bin_next=wr_bin + (wr_inc & (~wr_full));assign wr_grey_next=(wr_bin_next<<1) ^ (wr_bin_next);assign wr_addr=wr_bin[size_addr-1:0];assign wr_full_val=((~wq2_rd_ptr[size_addr:size_addr-1]==wr_grey_next[size_addr:size_addr-1])&&(wq2_rd_ptr[size_addr-2:0]==wr_grey_next[size_addr-2:0]));always@(posedge wr_clk or negedge wr_rst)begin if(!wr_rst) wr_full<=1'b0; else wr_full<=wr_full_val;endendmodule

     最后，还想再谈一点。因为异步fifo设计中读和写所用到的时钟不一样，时钟速度也不一样，那么当两个时钟速度差别很大的时候会涉及到两个比较困扰的问题。

    1）时钟快慢有差别的时候，同步化的grey码变化两次但是采样一次，根据同步化的值可以发现有两个bit发生变化，这会不会导致多位同步化问题？

      答案是不会的，虽然grey码呈现出的结果是变化了两个bit,但是它是在顺序变化的，第一次变化稳定之后，第二次在第一次的基础之上根据同步化后的时钟上升沿进行变化，这样的话不涉及多位变化问题。

   2）快时钟下的grey码计数器变化比较快，是否会出现快时钟域的grey码计数器已经进入full状态，但是在full+1状态才检测到，导致fifo出现上溢现象？

     答案是不会的。假设wr_clk 比较快，wr_ptr最终会追赶上rd_ptr，但是当fifo进入full状态时，wr_full就会置1，此时fifo就会停止写操作，rd_ptr增加有空余地址可写之后才会重新写入数据。同样的道理，如果rd_clk比较快的话，rd_ptr最终会追赶上wr_ptr，当fifo进入空状态之后，rd_empty就会置1，此时就会停止读操作，直到rd_ptr增加写入新的数据之后才会开始读数据，这样也就不会出现下溢情况。