浅谈数字电路设计中的异步FIFO（一）

　　随着芯片技术的发展，人们总想在芯片里面实现更多的功能，添加不同的模块，所以导致设计的规模越来越大，在同一颗芯片内部，时钟网络也越来越复杂，往往有很多个时钟同时存在，并且需要在不同的工作模式下，进行时钟切换。这种多时钟域带来一个设计的难点，就是如何设计异步时钟之间的接口电路。
　　我们都知道，信号在不同时钟域之间进行传输的时候，非常容易出现亚稳态（亚稳态的问题，今天先不细谈，可以简单的认为，亚稳态会导致寄存器采集到的数据错误）。
　　根据信号的分类，单比特信号多比特信号，发送时钟域接收时钟域的快慢关系的不同，会有不同的解决亚问题的办法（后面会写文章详谈）。
　　在这些方法中，异步FIFO（FirstInFirstOut）是解决这个问题一种简便、快捷的解决方案。使用异步FIFO可以在两个不同时钟域之间，方便地传输实时数据。所以异步FIFO在网络接口、图像处理等领域，得到了非常广泛的应用。
　　异步FIFO概念
　　异步FIFO是一种可以实现异步读写操作，先进先出（FirstInFirstOut）的电路，通常被使用在数据传输接口的部分，用来存储、缓冲数据，解决在两个异步时钟之间的数据传输问题。
　　在异步电路中，因为两个时钟之间的周期和相位之间，完全相互独立，所以在数据发送，采集过程中，有很大的概率，会发生数据丢失或者过采样问题（发送时钟域为快时钟，接受时钟域为慢时钟，出现丢失数据情况，发送时钟域为慢时钟，接受时钟域为快时钟，出现数据过采样情况）。异步FIFO设计
　　FIFO的存储介质为一块双端口RAM，可以同时进行读写操作。在写时钟域部分，由写地址控制逻辑，产生写地址和写控制信号；在读时钟域部分，由读地址控制逻辑，产生读地址和读控制信号；在空满标志位控制部分，通过比较读写地址，产生空满标志位。
　　设计异步FIFO有两个难点：如何同步异步信号，抑制亚稳态的发生。如何正确地设计空、满标志位的控制电路。
　　抑制亚稳态的发生
　　理论上讲，亚稳态是不可能完全消除的，只能通过技术手段，将发生的概率降低到可接受的范围之内。一般通过以下两种方式，来达到降低亚稳态发生概率的目的。写地址读地址用格雷码进行编码。因为格雷码具有，每次只变化一比特的特点，所以在数据变化过程中，可以有效地降低亚稳态的产生概率。采用触发器来同步异步输入信。一般我们认为使用两级触发器，就可以将出现亚稳态的概率，降低到一个可以接受的程度（有研究证明，再采用更多级数的触发器，降低概率有限）。小结
　　今天我们聊了异步FIFO的概念，和在进行FIFO设计中要注意的第一个问题。第二个空满标志位的产生问题，因为比较复杂且比较关键，所以后面会再写一篇文章详细介绍。