异步FIFO最小深度的计算

异步FIFO通常用于在两个时钟域间传输数据，并且通常情况下，写数据的速率是要比读数据的速率快的，因此，就存在FIFO最小深度的一个问题，以防止在数据传输时发生溢出，造成数据的丢失。 在计算FIFO最小深度时，我们一般考虑极端情况，即在一段时间内写速率达到最大，此时由于读数据慢于写数据，因此需要设置一个FIFO的最小深度，来保证数据不丢失。

CASE1

写速率 f A = 80 M H z f_A = 80MHz fA​=80MHz 读速率 f B = 50 M H z f_B = 50MHz fB​=50MHz 突发长度 B u r s t L e n g t h = 120 Burst Length = 120 BurstLength=120 读写之间没有空闲周期，是连续读写一个突发长度。 分析: 写一个数据，需要1/80MHz=12.5ns,因此写120个数据，需要120*12.5ns 而读一个数据，需要1/50MHz=20ns，在120*12.5ns时间内，读出了120*12.5/20=75个数据，所以FIFO的最小深度应该为 120 − 75 = 45 120-75=45 120−75=45

CASE2

fA > fB 在两个连续读写之间有一个周期的延迟 相当于每2个周期写入和读出一个数据，因此有下式 120-120*2*(1/80MHz)/(2*(1/50MHz))=120-120*50/80=45

CASE3

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 分析：相当于每2个周期(2*1/80Mhz=25ns)写一个数据，每4个周期(4*1/50MHz=80ns)读一个数据。因此，写120个数据需要25*120=3000ns,在这段时间内，共读出3000/80=37.5个数据，因此最小深度为 120 − 37.5 = 83 ( 向 上 取 整 ) 120-37.5=83(向上取整) 120−37.5=83(向上取整)

CASE4

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 此题和CASE3类似，相当于每2个周期写一个数据，每4个周期读1个数据。因此最小深度也是83

CASE5

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） 显然读数据快于写数据速率，因此FIFO深度为1即可

CASE6

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 分析：此题写时钟频率慢于读时钟频率，但真实的数据写入速率是快于读数据速率的: 每2个周期，即1/30MHz*2=66.6ns写入一个数据； 每4个周期，即1/50MHz*4=80ns读出一个数据。 则写入120个数据，需要66.6*120=8000ns,在这8000ns时间内，共读出8000/80=100个数据，因此FIFO的最小深度应为120-100=20。

CASE7

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） 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即可。

CASE8

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 在这个case中读时钟和写时钟频率相同，但是读写速率不同: 每2个周期(1/50Mhz*2=40ns)写入一个数据),每4个周期(1/50MHz*4=80ns)读出一个数据，因此写入120个数据需要40*120=4800ns,在这段时间内，可以读出4800/80=60个数据，因此FIFO的最小深度为120-60=60。

CASE9

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 由于100个时钟周期内80个数据写入的时机是随机的，因此，我们需要考虑最坏的情况，即写入最快的情况。 从上图中，可以看到，最坏的情况就是case4,即在200个周期内发生两次连续的突发写入，又称“背靠背”的情况。此时，在160个周期内(20-180)共写入了160个数据(在这段时间内写数据速率达到最快)，而在160个周期内，只能读出160/10*8=128个数据，故FIFO的最小深度为 160 − 128 = 32 160-128=32 160−128=32

Case10

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。 分析:同样，我们考虑最坏的情况，即0-1000个周期后500个周期写入数据，第1000-2000个周期前500个周期写入数据，即背靠背的情况，此时在1000个周期(500-1500)内写入了1000个数据，共花费1/20MHz*1000=50000ns，在这段时间内，假设有x个数据读出，则有 x ∗ ( 4 ∗ 1 / 40 M H z ) = 50000 n s x*(4*1/40MHz)=50000ns x∗(4∗1/40MHz)=50000ns 解得x=500，因此FIFO的最小深度为1000-500=500。

补充

由于异步FIFO在设计时采用了格雷码，因此FIFO深度需要是2的幂，否则在最大值N-1跳变到0的时候，其对应的格雷码并不是只变化一个bit，从而会在同步时发生错误。因此，在大多数情况下，算出了最小FIFO深度之后，如果不是2的幂，应该还要取大于等于该深度的最小的2的幂。这是本人的一点看法，当然不这样做也可，不过此时异步FIFO在设计时就不能使用格雷码了。