介绍异步FIFO最小深度计算
FIFO简单介绍
FIFO(First In First Out)是一种常见的数据缓存器，其特点为数据在写时钟下顺序写入，先写入的数据在前，后写入的数据在后，当读时钟到来时，先读出先写入的数据，后读出后写入的数据，顺序与写入顺序一致。常用场景为在不同时钟域的不同模块间进行数据传输时，避免数据的丢失。对于FIFO的读写时钟的不同可将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO，同步FIFO指FIFO的读写时钟为同一时钟，读写操作在时钟到来时同步发生；异步FIFO指FIFO的读写时钟不一致，FIFO的读写操作相互独立。
异步FIFO的深度和宽度的区别：FIFO宽度（WIDTH）是指在进行一次读写操作时，写入或读出数据的数据位，而FIFO深度（DEPTH）是指当前设计的FIFO可以存储多少个WIDTH位宽的数据。例如FIFO宽度为16，深度为24，即此FIFO在写满的情况下可以存储24个16位的数据
FIFO突发长度（Brust Length）是指一串需要进行连续传输的数据，在此指FIFO需要传输数据的长度。
由于异步FIFO的应用较为广泛，在此以异步FIFO来分析下在不同情况下FIFO的最小深度计算。
情况1：写时钟频率(fa)>读时钟频率(fb)；读写时钟之间无空闲时钟
假设：
- fa=80MHz；fb=50MHz；Brust Length=120
计算过程：
- 写入一个数据需要时间：1/80MHz=12.5ns
- 写入突发长度数据所需时间：120×12.5ns=1500ns
- 读出一个数据所需时间：1/50MHz=20ns
- 在写入突发长度时可读出数据个数：1500ns/20ns=75
- 剩余未读出数据个数：120-75=45
- FIFO最小深度为45
情况2：写时钟频率(fa)>读时钟频率(fb)；读和写时钟之间都存在空闲时钟
假设：
- fa=80MHz；fb=50MHz；Brust Length=120
- 两个写数据之间空闲时钟=1
- 两个读数据之间空闲时钟=3
计算过程：
- 写入一个数据需要时间：2×（1/80MHz）=25ns
- 写入突发长度数据所需时间：120×25ns=3000ns
- 读出一个数据所需时间：4×（1/50MHz）=80ns
- 在写入突发长度时可读出数据个数：3000ns/80ns=37.5≈37
- 剩余未读出数据个数：120-37=83
- FIFO最小深度为83
- 两个写数据之间空闲时钟为1可理解为每2个写时钟才写入一个数据
- 两个读数据之间空闲时钟为3可理解为每4个写时钟才读出一个数据
- 同样的情况出现在给定写使能和读使能信号占空比的情况（假定高电平使能），与上述情况相同的设定为写使能信号的占空比为50%，读使能信号的占空比为25%
情况3：写时钟频率(fa)<读时钟频率(fb)；读写时钟之间无空闲时钟
假设：
- fa=30MHz；fb=50MHz；Brust Length=120
计算过程：
- 这种情况下无需考虑FIFO深度，因为读时钟比写时钟快，所以FIFO不会出现写满导致数据丢失的情况
- FIFO的最小深度为1
情况4：写时钟频率(fa)<读时钟频率(fb)；读和写时钟之间都存在空闲时钟（同样适用于读写使能信号存在占空比的情况）
假设：
- fa=30MHz；fb=50MHz；Brust Length=120
- 两个写数据之间空闲时钟=1
- 两个读数据之间空闲时钟=3
计算过程：
- 写入一个数据需要时间：2×（1/30MHz）=66.667ns
- 写入突发长度数据所需时间：120×66.667ns=8000ns
- 读出一个数据所需时间：4×（1/50MHz）=80ns
- 在写入突发长度时可读出数据个数：8000ns/80ns=100
- 剩余未读出数据个数：120-100=20
- FIFO最小深度为20
情况5：写时钟频率(fa)=读时钟频率(fb)；读和写时钟之间都存在空闲时钟
假设：
- fa=50MHz；fb=50MHz；Brust Length=120
- 两个写数据之间空闲时钟=1
- 两个读数据之间空闲时钟=3
计算过程：
- 写入一个数据需要时间：2×（1/50MHz）=40ns
- 写入突发长度数据所需时间：120×40ns=4800ns
- 读出一个数据所需时间：4×（1/50MHz）=80ns
- 在写入突发长度时可读出数据个数：480000ns/80ns=60
- 剩余未读出数据个数：120-60=60
- FIFO最小深度为60
- 当读写时钟频率一致且读写时钟之间不存在空闲时钟时，FIFO最小深度为1
情况6：常用计算公式
假设：
- 写时钟频率fw
- 读时钟频率fr
- Brust Length
- 每B个写时钟周期写入A个数据
- 每Y个读时钟周期读出X个数据
计算公式为：
FIFO_DEPTH=Brust_Length（1-（X/Y)×（fr/fw））
- 注意考虑背靠背传输的问题，即Brust Length最大化
注：参考资料来自Putta Satish