fifo深度的解釋

1、深入理解FIFO (包含有FIFO深度的解釋)FIFO：一、先入先出隊(duì)列 (First Input First Output ， FIFO) 這是 一種傳統(tǒng)的按序執(zhí)行方法， 先進(jìn)入的指令先完成并引退， 跟著才執(zhí)行 第二條指令。1什么是 FIFOFIFO是英文First In First Out的縮寫(xiě)，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器， 他與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別是沒(méi)有外部讀寫(xiě)地址線， 這樣 使用起來(lái)非常簡(jiǎn)單， 但缺點(diǎn)就是只能順序?qū)懭霐?shù)據(jù)， 順序的讀出數(shù)據(jù)， 其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫(xiě)指針自動(dòng)加 1 完成，不能像普通存儲(chǔ)器那樣可 以由地址線決定讀取或?qū)懭肽硞€(gè)指定的地址。2什么情況下用 FIFOFIFO一般用于不同

2、時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，比如 FIFO的一 端時(shí)AD數(shù)據(jù)采集，另一端時(shí)計(jì)算機(jī)的PCI總線，假設(shè)其AD采集的速 率為16位100K SPI，那么每秒的數(shù)據(jù)量為100KX 16bit二，而PCI總 線的速度為33MHz總線寬度32bit,其最大傳輸速率為1056Mbps,在 兩個(gè)不同的時(shí)鐘域間就可以采用 FIFO來(lái)作為數(shù)據(jù)緩沖。另外對(duì)于不 同寬度的數(shù)據(jù)接口也可以用 FIFO,例如單片機(jī)位8位數(shù)據(jù)輸出，而 DSP可能是16位數(shù)據(jù)輸入，在單片機(jī)與 DSP連接時(shí)就可以使用FIFO 來(lái)達(dá)到數(shù)據(jù)匹配的目的。3. FIFO的一些重要參數(shù)FIFO的寬度：也就是英文資料里?？吹降?THEWIDTH它只 的是FIFO

3、 次讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)位，就像 MCU有8位和16位，ARMB2 位等等，F(xiàn)IFO的寬度在單片成品IC中是固定的，也有可選擇的，如 果用FPGAI己實(shí)現(xiàn)一個(gè)FIFO,其數(shù)據(jù)位，也就是寬度是可以自己定 義的。FIFO的深度：THE DEEPTH它指的是FIFO可以存儲(chǔ)多少個(gè)N位的數(shù)據(jù)(如果寬度為N)。如一個(gè)8位的FIFO,若深度為8,它可 以存儲(chǔ) 8 個(gè) 8 位的數(shù)據(jù),深度為 12 ,就可以存儲(chǔ) 12 個(gè) 8 位的數(shù)據(jù), FIFO的深度可大可小，個(gè)人認(rèn)為FIFO深度的計(jì)算并無(wú)一個(gè)固定的公 式。在FIFO實(shí)際工作中，其數(shù)據(jù)的滿/空標(biāo)志可以控制數(shù)據(jù)的繼續(xù)寫(xiě) 入或讀出。在一個(gè)具體的應(yīng)用中也不可能由一些參數(shù)

4、算數(shù)精確的所需 FIFO 深度為多少,這在寫(xiě)速度大于讀速度的理想狀態(tài)下是可行的, 但在實(shí)際中用到的FIFO深度往往要大于計(jì)算值。一般來(lái)說(shuō)根據(jù)電路 的具體情況,在兼顧系統(tǒng)性能和 FIFO 成本的情況下估算一個(gè)大概的 寬度和深度就可以了。而對(duì)于寫(xiě)速度慢于讀速度的應(yīng)用, FIFO 的深 度要根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和讀出數(shù)據(jù)的由那些具體的要求來(lái)確定。滿標(biāo)志：FIFO已滿或?qū)⒁獫M時(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一 個(gè)信號(hào),以阻止 FIFO 的寫(xiě)操作繼續(xù)向 FIFO 中寫(xiě)數(shù)據(jù)而造成溢出( overflow )。空標(biāo)志：FIFO已空或?qū)⒁諘r(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一 個(gè)信號(hào)，以阻止FIFO的讀操作繼續(xù)從FIFO

5、中讀出數(shù)據(jù)而造成無(wú)效數(shù) 據(jù)的讀出( underflow )。讀時(shí)鐘：讀操作所遵循的時(shí)鐘, 在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)讀數(shù)據(jù)。寫(xiě)時(shí)鐘：寫(xiě)操作所遵循的時(shí)鐘， 在每個(gè)時(shí)鐘沿來(lái)臨時(shí)寫(xiě)數(shù)據(jù)。讀指針：指向下一個(gè)讀出地址。讀完后自動(dòng)加 1。 寫(xiě)指針：指向下一個(gè)要寫(xiě)入的地址的，寫(xiě)完自動(dòng)加1。讀寫(xiě)指針其實(shí)就是讀寫(xiě)的地址， 只不過(guò)這個(gè)地址不能任意選 擇，而是連續(xù)的。4. FIFO的分類根均FIFO工作的時(shí)鐘域，可以將 FIFO分為同步FIFO和異 步FIFO。同步FIFO是指讀時(shí)鐘和寫(xiě)時(shí)鐘為同一個(gè)時(shí)鐘。在時(shí)鐘沿來(lái) 臨時(shí)同時(shí)發(fā)生讀寫(xiě)操作。異步 FIFO是指讀寫(xiě)時(shí)鐘不一致，讀寫(xiě)時(shí)鐘 是互相獨(dú)立的。5. FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn)FI

6、FO 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于怎樣判斷 FIFO 的空/ 滿狀態(tài)。為了保 證數(shù)據(jù)正確的寫(xiě)入或讀出， 而不發(fā)生溢出或讀空的狀態(tài)出現(xiàn)， 必須保 證 FIFO 在滿的情況下，不能進(jìn)行寫(xiě)操作。在空的狀態(tài)下不能進(jìn)行讀 操作。怎樣判斷FIFO的滿/空就成了 FIFO設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。由于同 步FIFO幾乎很少用到，這里只描述異步FIFO的空/滿標(biāo)志產(chǎn)生問(wèn)題。在用到觸發(fā)器的設(shè)計(jì)中，不可避免的會(huì)遇到亞穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題 （關(guān)于亞穩(wěn)態(tài)這里不作介紹，可查看相關(guān)資料） 。在涉及到觸發(fā)器的 電路中，亞穩(wěn)態(tài)無(wú)法徹底消除， 只能想辦法將其發(fā)生的概率將到最低。 其中的一個(gè)方法就是使用格雷碼。 格雷碼在相鄰的兩個(gè)碼元之間只由 一位變換 （二進(jìn)制

7、碼在很多情況下是很多碼元在同時(shí)變化 ）。這就會(huì)避 免計(jì)數(shù)器與時(shí)鐘同步的時(shí)候發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。 但是格雷碼有個(gè)缺點(diǎn)就是只能定義2An的深度，而不能像二進(jìn)制碼那樣隨意的定義FIFO的深度，因?yàn)楦窭状a必須循環(huán)一個(gè) 25,否則就不能保證兩個(gè)相鄰碼元 之間相差一位的條件， 因此也就不是真正的各雷碼了。 第二就是使用 冗余的觸發(fā)器，假設(shè)一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為P,那么兩個(gè)及聯(lián)的觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率就為 P 的平方。但這回導(dǎo)致延時(shí)的增 加。亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生會(huì)使得FIFO出現(xiàn)錯(cuò)誤，讀/寫(xiě)時(shí)鐘采樣的地址指針 會(huì)與真實(shí)的值之間不同, 這就導(dǎo)致寫(xiě)入或讀出的地址錯(cuò)誤。 由于考慮 延時(shí)的作用,空 /滿標(biāo)志的產(chǎn)生并不一定

8、出現(xiàn)在 FIFO 真的空/ 滿時(shí)才 出現(xiàn)。可能FIFO還未空/滿時(shí)就出現(xiàn)了空/滿標(biāo)志。這并沒(méi)有什么不 好，只要保證FIFO不出現(xiàn)oveflow or undeflow就OK了。很多關(guān)于 FIFO 的文章其實(shí)討論的都是空 / 滿標(biāo)志的不同算 法問(wèn)題。在Vijay A. Nebhani的異步FIFO結(jié)構(gòu)一文中，作者提出了兩個(gè)關(guān)于FIFO空/滿標(biāo)志的算法。第一個(gè)算法：構(gòu)造一個(gè)指針寬度為 N+1,深度為2AN字節(jié)的 FIFO （為便方比較將格雷碼指針轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制指針）。當(dāng)指針的二進(jìn) 制碼中最高位不一致而其它 N位都相等時(shí)，F(xiàn)IFO為滿（在Clifford E. Cummi ngs的文章中以格雷碼表示是

9、前兩位均不相同，而后兩位LSB相同為滿，這與換成二進(jìn)制表示的MSB不同其他相同為滿是一樣的）。 當(dāng)指針完全相等時(shí), FIFO 為空。這也許不容易看出,舉個(gè)例子說(shuō)明 一下：一個(gè)深度為 8字節(jié)的 FIFO 怎樣工作（使用已轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的 指針）。FIFO_WIDTH=,8 FIFO_DEPTH二 2AN = 8, N = 3，指針寬度為N+1=4 起初 rd_ptr_bin 和 wr_ptr_bin 均為“ 0000” 此時(shí) FIFO 中 寫(xiě)入 8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。 wr_ptr_bin =“ 1000”，rd_ptr_bin=“0000”。當(dāng)然，這就是滿條件。現(xiàn)在，假設(shè)執(zhí)行了 8 次的讀操作，使得

10、 rd_ptr_bin =“ 1 000 ”，這就是空條件。另外的 8 次寫(xiě)操作將使wr_ptr_bin 等于“ 0000”，但 rd_ptr_bin 仍然等于“ 1000”，因此 FIFO為滿條件。顯然起始指針無(wú)需為 “0000”。假設(shè)它為“0100”，并且 FIFO 為空，那么 8 個(gè)字節(jié)會(huì)使 wr_ptr_bin = “ 1100”，, rd_ptr_bin 仍 然為“ 0100”這又說(shuō)明FIFO為滿。在Vijay A. Nebhani的這篇異步 FIFO結(jié)構(gòu)文章中說(shuō)明了怎樣運(yùn)用格雷碼來(lái)設(shè)置空滿的條件， 但沒(méi)有說(shuō)清為什么深度為 8的FIFO其讀寫(xiě)指針要用3+1位的格雷碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，而3+1位

11、的格雷 碼可以表示16位的深度，而真實(shí)的FIFO只有8位，這是怎么回事而 這個(gè)問(wèn)題在 Clifford E. Cummings 的文章中得以解釋。三位格雷碼 可表示8位的深度，若在加一位最為MSB則這一位加其他三位組成 的格雷碼并不代表新的地址，也就是說(shuō)格雷碼的 0100 表示表示 7， 而1100仍然表示乙只不過(guò)格雷碼在經(jīng)過(guò)一個(gè)以 0位MSB勺循環(huán)后 進(jìn)入一個(gè)以1為MSB勺循環(huán)，然后又進(jìn)入一個(gè)以0位MS啲循環(huán)，其 他的三位碼仍然是格雷碼，但這就帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，在 0100的循環(huán)完 成后，進(jìn)入 1000，他們之間有兩位發(fā)生了變換，而不是 1 位，所以 增加一位 MSB的做法使得該碼在兩處：010

12、01000, 11000000有兩 位碼元發(fā)生變化，故該碼以不是真正的格雷碼。增加的MSB是為了實(shí) 現(xiàn)空滿標(biāo)志的計(jì)算。 Vijay A. Nebhrajani 的文章用格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制， 再轉(zhuǎn)格雷碼的情況下提出空滿條件，僅過(guò)兩次轉(zhuǎn)換，而 Clifford E.Cummi ngs的文章中直接在格雷碼條件下得出空滿條件。其實(shí)二者是 一樣的，只是實(shí)現(xiàn)方式不同罷了。第二種算法：Clifford E. Cummings的文章中提到的STYLE#2。它將FIFO地址分成了 4部分，每部分分別用高兩位的 MSB 00、01、11、10 決定 FIFO 是否為 going full 或 going empty

13、（即將 滿或空）。如果寫(xiě)指針的高兩位MSBJ、于讀指針的高兩位MS測(cè)FIFO 為“幾乎滿”，若寫(xiě)指針的高兩位MSB大于讀指針的高兩位MSB則FIFO為 “幾乎空”。在Vijay A. Nebhani的異步FIFO結(jié)構(gòu)第三部分的文章中也提到了一種方法，那就是方向標(biāo)志與門(mén)限。設(shè)定了FIFO容量的75%乍為上限，設(shè)定FIFO容量的25%為下限。當(dāng)方向標(biāo)志超過(guò)門(mén) 限便輸出滿 /空標(biāo)志，這與 Clifford E. Cummings 的文章中提到的 STYLE #2 可謂是異曲同工。他們都屬于保守的空滿判斷。其實(shí)這時(shí) 輸出空滿標(biāo)志FIFO并不一定真的空/滿。說(shuō)到此，我們已經(jīng)清楚地看到， FIFO 設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的就是產(chǎn)生空/滿標(biāo)志的算法的不同產(chǎn)生了不同的 FIF O。但無(wú)論是精確的空滿 還是保守的空滿都是為了保證 FIFO工作的可靠。二、先進(jìn)先出法 (first in,first out， FIFO)先進(jìn)先出法是指根據(jù)先入庫(kù)先發(fā)出的原則， 對(duì)于發(fā)出的存貨 以先入庫(kù)存貨的單價(jià)計(jì)算發(fā)出存貨成本的方法 . 采用這種方法的具體 做法是：先按存貨的期初余額的單價(jià)計(jì)算發(fā)出的存貨的成