1、為什么需要計(jì)算FIFO的最小深度

因?yàn)楣P試常考。

開(kāi)玩笑的。首先我們來(lái)想下FIFO有哪些作用?我大概總結(jié)下FIFO的幾個(gè)重要作用：

解決不同時(shí)鐘域傳輸?shù)膯?wèn)題

用來(lái)緩存一定量的數(shù)據(jù)

解決位寬不匹配的問(wèn)題

FIFO最常被用來(lái)解決寫(xiě)、讀不匹配的問(wèn)題(時(shí)鐘、位寬)，總結(jié)下來(lái)，其實(shí)FIFO最大的作用就是緩沖。既然是緩沖，那么就要知道這個(gè)緩存的空間到底需要多大。接下來(lái)的討論，都建立在滿足一次FIFO突發(fā)傳輸?shù)幕A(chǔ)上。連續(xù)無(wú)止境的突發(fā)不考慮。比如寫(xiě)時(shí)鐘100M，讀時(shí)鐘50M，無(wú)限制的讀寫(xiě)，那么FIFO的深度只能是無(wú)窮大了，因?yàn)閷?xiě)比讀快，F(xiàn)IFO一定永遠(yuǎn)都不夠用。所以在實(shí)際運(yùn)用中，不會(huì)存在無(wú)限制的對(duì)FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)。如果這樣的話，F(xiàn)IFO就變成了一個(gè)“存儲(chǔ)器件”，而不是一個(gè)“緩存器件”，對(duì)于FIFO的這種用法無(wú)疑是毫無(wú)意義的。

2、實(shí)例

2.1、寫(xiě)時(shí)鐘快、讀時(shí)鐘慢

2.1.1、無(wú)間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 80MHz;讀取時(shí)鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120

讀寫(xiě)操作不間斷

解法：

寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/80MHz = 12.5ns;讀取一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/50MHz = 20ns

寫(xiě)入120個(gè)數(shù)據(jù)，需要的時(shí)間：120 * 12.5ns = 1500ns

在寫(xiě)入全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間(1500ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：1500ns / 20ns = 75

所以一次突發(fā)，一共需要寫(xiě)入120數(shù)據(jù)，在這段時(shí)間內(nèi)可以被讀出75數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來(lái)緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 75 = 45

2.1.2、間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 80MHz;讀取時(shí)鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120。

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期，每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)讀時(shí)鐘周期。

解法：

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期，等于每?jī)蓚€(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才寫(xiě)入1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA'=40MHz，寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/40MHz = 25ns

每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)讀時(shí)鐘周期，等于每4個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的讀取時(shí)鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/12.5MHz = 80ns

寫(xiě)入120個(gè)數(shù)據(jù)，需要的時(shí)間：120 * 25ns = 3000ns

在寫(xiě)入全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間(3000ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：3000ns / 80ns = 37.5 ≈ 37(要向下取整，不然有1個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)丟)

所以一次突發(fā)，一共需要寫(xiě)入120數(shù)據(jù)，在這段時(shí)間內(nèi)可以被讀出37數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來(lái)緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 37 = 83

2.2、寫(xiě)時(shí)鐘慢、讀時(shí)鐘快

2.2.1、無(wú)間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 30MHz;讀取時(shí)鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120

寫(xiě)、讀操作無(wú)間斷

解法：

因?yàn)樽x操作的頻率快于寫(xiě)操作的頻率，所以數(shù)據(jù)一旦被寫(xiě)入FIFO后很快就會(huì)被讀走，所以FIFO的最小深度為1即可

2.2.2、間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 30MHz;讀取時(shí)鐘頻率 fB = 50MHz. 一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120。

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期，每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)讀時(shí)鐘周期。

解法：

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期，等于每?jī)蓚€(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才寫(xiě)入1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA'=15MHz，寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/15MHz = 66.667ns

每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)讀時(shí)鐘周期，等于每4個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的讀取時(shí)鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/12.5MHz = 80ns

寫(xiě)入120個(gè)數(shù)據(jù)，需要的時(shí)間：120 * 66.667ns = 8000ns

在寫(xiě)入全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間(8000ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：8000ns / 80ns = 100

所以一次突發(fā)，一共需要寫(xiě)入120數(shù)據(jù)，在這段時(shí)間內(nèi)可以被讀出100數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來(lái)緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 100 = 20

2.3、寫(xiě)時(shí)鐘、讀時(shí)鐘一樣快

2.3.1、無(wú)間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 讀取時(shí)鐘頻率 fB = 30MHz。一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120。

寫(xiě)、讀操作無(wú)間斷

解法：

1、假設(shè)讀、寫(xiě)時(shí)鐘無(wú)位差、則兩個(gè)時(shí)鐘同頻、同相，是同步信號(hào)，故可以直接對(duì)接操作，無(wú)需FIFO

2、若讀、寫(xiě)時(shí)鐘存在相位差，則被寫(xiě)入的數(shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)會(huì)被讀走，所以FIFO的最小深度為1即可

2.3.2、間斷的寫(xiě)、讀操作

條件：

寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA = 讀取時(shí)鐘頻率 fB = 50MHz。一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度120。

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)時(shí)鐘周期，每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)時(shí)鐘周期。

解法：

每?jī)纱螌?xiě)入操作間隔1個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期，等于每?jī)蓚€(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才寫(xiě)入1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的寫(xiě)入時(shí)鐘頻率 fA'=25MHz，寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/25MHz = 40ns

每?jī)纱巫x取操作間隔3個(gè)讀時(shí)鐘周期，等于每4個(gè)寫(xiě)時(shí)鐘周期才讀取1個(gè)數(shù)據(jù)，即等價(jià)的讀取時(shí)鐘頻率 fB'=12.5MHz，讀取一個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間：1/12.5MHz = 80ns

寫(xiě)入120個(gè)數(shù)據(jù)，需要的時(shí)間：120 * 40ns = 4800ns

在寫(xiě)入全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間(4800ns)內(nèi)，可以讀取出的數(shù)據(jù)數(shù)：4800ns / 80ns = 60

所以一次突發(fā)，一共需要寫(xiě)入120數(shù)據(jù)，在這段時(shí)間內(nèi)可以被讀出60數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來(lái)緩存，所以FIFO的最小深度為120 - 60 = 60

2.4、特定時(shí)間內(nèi)時(shí)間寫(xiě)、讀速率固定

條件：

每100個(gè)時(shí)鐘寫(xiě)入80個(gè)數(shù)據(jù)，剩余20個(gè)隨機(jī)值(無(wú)效)

每10個(gè)時(shí)鐘讀出8個(gè)數(shù)據(jù)

一次寫(xiě)入的突發(fā)長(zhǎng)度160

解法：

因?yàn)槊?00個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，僅寫(xiě)入80個(gè)數(shù)據(jù)，而這80個(gè)數(shù)據(jù)可能任意分布，所以160個(gè)數(shù)據(jù)的寫(xiě)入可能有以下幾種情況：

可以看到，第4種情況是最極端的：一次性需要寫(xiě)入160數(shù)據(jù)，時(shí)間為160個(gè)時(shí)鐘

160個(gè)時(shí)鐘內(nèi)，讀出的數(shù)據(jù)是160*8/10 = 128

所以一共需要寫(xiě)入160數(shù)據(jù)，在這段時(shí)間內(nèi)可以被讀出128數(shù)據(jù)，剩下的數(shù)據(jù)就是需要使用FIFO來(lái)緩存，所以FIFO的最小深度為160 - 128 = 32

3、總結(jié)

FIFO是用來(lái)緩存的，不是用來(lái)存數(shù)據(jù)的，當(dāng)寫(xiě)快讀慢時(shí)，無(wú)止境的對(duì)FIFO操作是沒(méi)有意義的(不管FIFO多大，一定都會(huì)被寫(xiě)滿)

FIFO深度的計(jì)算建立在滿足一次突發(fā)傳輸?shù)幕A(chǔ)上

當(dāng)讀快寫(xiě)滿或者讀寫(xiě)一樣快時(shí)，F(xiàn)IFO的深度最多只需要1

當(dāng)寫(xiě)快讀慢時(shí)，在一次突發(fā)傳輸時(shí)，因?yàn)樽x慢，所以肯定無(wú)法全部讀走。全部寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量 - 已經(jīng)被讀走的數(shù)據(jù)量 = 需要緩存到FIFO的數(shù)據(jù)量，即異步FIFO的最小深度

審核編輯：湯梓紅