【数字IC设计】异步FIFO深度计算

以下内容搬运自公众号：硅农，原文链接附下：原文连接

我们通常需要异步FIFO用作两个不同时钟域的模块之间的数据缓冲，确保不会丢失数据。

通常因为读速率慢于写速率，慢的模块来不及读取的数据要被缓存下来，所以说，FIFO的工作模式应该是，数据突发写入的形式，Bursts。也就是隔一段时间突发的写一组数据。如果连续写入的话，因为读速率快于写速率，FIFO肯定会写满，FIFO的深度就需要无穷大，才能确保数据不丢失。

我们需要知道，读写频率，突发速率，突发长度进而确定FIFO的最小深度。

上文的意思，已经明确，我们需要的FIFO深度是因为读取速率慢于写入速率而未能读取的数据量。明确了这一点原理，就可以不需要记任何公式，而直接计算任何情况下的传输问题。

Case-1：fA > fB 读写之间没有空闲周期

• 写速率fA = 80MHz
• 读速率fB = 50MHz
• 突发长度Burst Length = 120
• 读写之间没有空闲周期，是连续读写一个突发长度。

Sol：
写一个数据需要的时间 = 1 / 80MHz = 12.5ns

写一个突发需要的时间 = 120 * 12.5ns = 1500ns

读一个数据需要的时间 = 1 / 50MHz = 20ns

每1500ns，120个数据被写入FIFO，但读一个数据需要20ns的时间

可以计算出，1500ns内读出多少个数据，1500 / 20 = 75

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要120 - 75 = 45

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为45

拿笔在纸上推导下更清楚。

Case-2：fA > fB 在两个连续读写之间有一个周期的延迟

Sol：
这个题目是制造了一些假象，这其实和Case-1的情况是一样的，因为两个连续的读写之间通常都会有延迟。解决方法，如同Case-1。

Case–3：fA > fB读写都有空闲周期（IDLE Cycles）

• 写速率fA = 80MHz
• 读速率fB = 50MHz
• 突发长度Burst Length = 120
• 两个连续写入之间的空闲周期为 = 1
• 两个连续读取之间的空闲周期为 = 3

Sol：
两个连续写入之间的空闲周期为1的意思是，每写入一个数据，要等待一个周期，再写入下一个数据。这也可以理解为每两个周期，写入一个数据。

两个连续读取之间的空闲周期为3的意思是，每读取一个数据，要等待三个周期，再读取下一个数据。这也可以理解为每四个周期，读取一个数据。

写一个数据需要的时间 = 2 * (1 / 80MHz) = 25ns

写一个突发需要的时间 = 120 * 25ns = 3000ns

读一个数据需要的时间 = 4 * (1 / 50MHz) = 80ns

每3000ns，120个数据被写入FIFO，但读一个数据需要80ns的时间

可以计算出，3000ns内读出可以多少个数据，3000 / 80 = 37.5

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要120 - 37.5 = 82.5 约等于 83

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为83

Case-4：fA > fB并给出了读写使能的百分比

• 写速率fA = 80MHz
• 读速率fB = 50MHz
• 突发长度Burst Length = 120
• 写使能占得百分比为 = 50% = 1 / 2
• 读使能占得百分比为 = 25% = 1 / 4

Sol：
用你聪明的大脑想一想，这是不是和Case-3也是一模一样呢，写使能占得百分比为50%，即每两个周期写入一个数据。读使能占得百分比为25%，即每四个周期读取一个数据。

Case-5：fA < fB 读写操作无空闲周期（每两个连续读写之间有一个周期延迟）

Sol：
这类题目，因为读取速率大于写入速率，FIFO永远不会被写满，所以FIFO深度为1就够了。

Case-6：fA < fB 读写操作有空闲周期（读写使能占得百分比问题）

• 写速率fA = 30MHz
• 读速率fB = 50MHz
• 突发长度Burst Length = 120
• 两个连续写入之间的空闲周期为 = 1
• 两个连续读取之间的空闲周期为 = 3

Sol:
两个连续写入之间的空闲周期为1的意思是，每写入一个数据，要等待一个周期，再写入下一个数据。这也可以理解为每两个周期，写入一个数据。

两个连续读取之间的空闲周期为3的意思是，每读取一个数据，要等待三个周期，再读取下一个数据。这也可以理解为每四个周期，读取一个数据。

复制上面一遍

写一个数据需要的时间 = 2 * (1 / 30MHz) = 66.667ns

写一个突发需要的时间 = 120 * 66.667ns = 8000ns

读一个数据需要的时间 = 4 * (1 / 50MHz) = 80ns

每8000ns，120个数据被写入FIFO，但读一个数据需要80ns的时间

可以计算出，8000ns内读出可以多少个数据，8000 / 80 = 100

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要120 - 100 = 20

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为20

Case-7：fA = fB 读写操作无空闲周期（每两个连续读写之间有一个周期延迟）

Sol：
很好理解。

如果读写时钟为同一个时钟，则可以不需要FIFO。

如果读写时钟存在相位差，FIFO深度为1，也是够了。

Case-8：fA = fB 读写操作有空闲周期（读写使能占得百分比问题）

• 写速率fA = 50MHz
• 读速率fB = 50MHz
• 突发长度Burst Length = 120
• 两个连续写入之间的空闲周期为 = 1
• 两个连续读取之间的空闲周期为 = 3

Sol：
同样的解题思路。

两个连续写入之间的空闲周期为1的意思是，每写入一个数据，要等待一个周期，再写入下一个数据。这也可以理解为每两个周期，写入一个数据。

两个连续读取之间的空闲周期为3的意思是，每读取一个数据，要等待三个周期，再读取下一个数据。这也可以理解为每四个周期，读取一个数据。

人类的本质是复读机吗？

写一个数据需要的时间 = 2 * (1 / 50MHz) = 40ns

写一个突发需要的时间 = 120 * 40ns = 4800ns

读一个数据需要的时间 = 4 * (1 / 50MHz) = 80ns

每4800ns，120个数据被写入FIFO，但读一个数据需要80ns的时间

可以计算出，8000ns内读出可以多少个数据，4800 / 80 = 60

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要120 - 60 = 60

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为60

Case-9 如果数据速率如下所示

• 读写速率相等
• 每100个时钟写入80个数据
• 每10个时钟读取8个数据
• 突发长度为160

Sol：
写速率的其他20个周期的位置是随机的。所以就有了下面几种情况。


为了保证数据的传输不丢失，我们考虑到最坏的情况。

考虑的最坏的情况，就是写数据速率和读数据速率之间的差别最大。即写数据速率最大，读数据速率最小。

写操作最坏得情况是Case-4 ，即两次连续的突发写入，又称“背靠背”的情况。

即为在160个周期内写入160个数据。

读数据速率读出每个数据的时间为 = 8 / 10

所以160个周期读出数据的个数为 160 * （8 * 10） = 128

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要160 - 128 = 32

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为32。

Case-10：举个栗子

• 写入时钟20MHz
• 读出时钟40MHz
• 每1000个时钟周期写入500个数据
• 每4个时钟周期读出1个数据
• 读写数据位宽一致。

Sol：
考虑到“背靠背”的情况突发长度则为500 * 2 = 1000

则为每1000个时钟周期写入1000个数据

每4个周期，读取一个数据。

写一个数据需要的时间 = 1 / 20MHz = 50ns

写一个突发需要的时间 = 1000 * 50ns = 50000ns

读一个数据需要的时间 = 4 * (1 / 40MHz) = 100ns

每50000ns，120个数据被写入FIFO，但读一个数据需要80ns的时间

可以计算出，8000ns内读出可以多少个数据，50000 /100 = 500

剩下的没有读出，就存在FIFO中，则需要1000- 500 = 500

所以这种情况下，需要的FIFO最小深度为500

总结

掌握这十种情况，还需要记什么公式？解决所有FIFO深度计算类笔面试题都不再话下。万变不离其宗。

Reference
CALCULATION OF FIFO DEPTH - MADE EASY —— Putta Satish

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

https://blog.****.net/u011412586/article/details/10241585/

参考文档中诸多实例，可以参考点击查看。其中的文档需要关注硅农订阅号，后台回复FIFO Depth Cal即可获得。