異步 FIFO 最小深度計算方法及原理分析（轉(zhuǎn)補）

計算 FIFO 深度是設(shè)計 FIFO 中常遇到的問題。常識告訴我們，當讀速率慢于寫速率時（瞬時速率），F(xiàn)IFO 便可被用作系統(tǒng)中的緩沖元件或隊列。FIFO 的大小取決于讀寫數(shù)據(jù)的速率，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率取決于系統(tǒng)的負載能力，因此為了保證系統(tǒng)性能，我們需要考慮 FIFO 傳輸?shù)淖顗那闆r。所謂最壞的情況就是使得寫速率最大，讀速率最小的時候考慮突發(fā)傳輸。

目錄

異步 FIFO 最小深度計算原理異步 FIFO 最小深度常用計算公式讀寫 FIFO 不是同時進行的情況下異步 FIFO 最小深度計算實例系統(tǒng)設(shè)計的問題流量平衡參考文檔

異步 FIFO 最小深度計算原理

FIFO 用于緩沖塊數(shù)據(jù)流，一般用在寫快讀慢突發(fā)傳輸?shù)那闆r，遵循的規(guī)則如下：

FIFO深度(寫入速率?讀出速率)=FIFO被填滿時間>數(shù)據(jù)包傳送時間=寫入最大突發(fā)數(shù)據(jù)量寫入速率 $$/frac{FIFO 深度} {(寫入速率 - 讀出速率)} = {FIFO 被填滿時間} > {數(shù)據(jù)包傳送時間} = /frac{寫入最大突發(fā)數(shù)據(jù)量}{寫入速率}$$

即是確保對FIFO寫數(shù)據(jù)時不存在 Overflow 。

例1： A/D 采樣率50MHz，DSP 讀 A/D 的速率40MHz，要不丟失地將10萬個采樣數(shù)據(jù)送入 DSP，在 A/D 在和 DSP 之間至少設(shè)置多大容量的FIFO才行？ 100,000/50MHz=1/500s=2ms$100,000 / 50 MHz = 1/500 s = 2 ms$ (50MHz?40MHz)?1/500=20k$(50 MHz - 40 MHz) * 1/500 = 20k$，即是 FIFO 深度。

異步 FIFO 最小深度常用計算公式

這里假設(shè)讀寫 FIFO 是可以同時進行的， 寫時鐘頻率 w_clk， 讀時鐘頻率 r_clk， 寫時鐘周期里，每 B 個時鐘周期會有 A 個數(shù)據(jù)寫入 FIFO， 讀時鐘周期里，每 Y 個時鐘周期會有 X 個數(shù)據(jù)讀出 FIFO， 則 FIFO 的最小深度的計算公式如下： fifo_depth=burst_length?burst_length?(X/Y)?(r_clk/w_clk) $$fifo/_depth = burst/_length - burst/_length * (X / Y) * (r/_clk / w/_clk)$$ 此公式可從上面原理推導而來。

例2： 如果100個寫時鐘周期可以寫入80個數(shù)據(jù)，10個讀時鐘可以讀出8個數(shù)據(jù)。令w_clk=r_clk ，考慮背靠背 (20個clk不發(fā)數(shù)據(jù)＋80clk發(fā)數(shù)據(jù)＋80clk發(fā)數(shù)據(jù)＋20個clk不發(fā)數(shù)據(jù)的200個clk) ，代入公式可計算 FIFO 的深度， fifo_depth = 160-160*80% = 160 - 128 = 32

如果令w_clk＝200MHz，改為100個w_clk里寫入40個，r_clk＝100MHz，10個r_clk里讀出8個，那么 FIFO 深度為48。計算如下， fifo_depth = 80 - 80 * 80% * (100/200) = 80 - 32 = 48

注： 將fifo_depth=burst_length?burst_length?(X/Y)?(r_clk/w_clk)$fifo/_depth = burst/_length - burst/_length * (X/Y) * (r/_clk/w/_clk)$作個變形， 得到 fifo_depth=burst_length?[burst_length?(1/w_clk)]/[Y?(1/r_clk)/X]$fifo/_depth = burst/_length - [ burst/_length * (1/w/_clk) ] / [ Y*(1/r/_clk) / X ]$ 其中 [burst_length?(1/w_clk)]$[ burst/_length * (1/w/_clk) ]$表示這個burst的持續(xù)時間， [Y?(1/r_clk)/X]$[ Y*(1/r/_clk) / X ]$表示讀出每個數(shù)據(jù)所需的時間（即：讀的實際速度）。 兩者相除自然就是這段時間讀出的數(shù)據(jù)量。顯然burst_length表示這段時間寫入的數(shù)據(jù)量，兩者的差為 FIFO 中殘留的數(shù)據(jù)，這個也就是理論上的 FIFO 的最小深度。 實際應(yīng)用中往往是以半空半滿信號來指示 FIFO 的空滿狀態(tài)的，所以實際設(shè)計 FIFO 的時候會至少留下一個數(shù)據(jù)空間的深度裕量。

讀寫 FIFO 不是同時進行的情況下

假如讀寫 FIFO 不是同時進行的，F(xiàn)IFO 深度就是寫數(shù)據(jù)最大突發(fā)個數(shù)。

異步 FIFO 最小深度計算實例

例3： 如兩個異步時鐘域數(shù)據(jù)接口，假如讀寫是同時進行的，一般設(shè)置 FIFO 的深度就要對應(yīng)兩個時鐘以及對應(yīng)寫最大的突發(fā)數(shù)據(jù)。假設(shè)寫時鐘頻率是40MHz，讀時鐘為25MHz，在寫端最大突發(fā)寫數(shù)據(jù)個數(shù)為100個數(shù)據(jù)。對應(yīng)深度計算：100(1-25/40)=37.5，對應(yīng)深度設(shè)置至少為38。

假如讀寫不是同時的，這就需要設(shè)置深度為寫數(shù)據(jù)最大突發(fā)個數(shù)，如上例中，對應(yīng)最大突發(fā)個數(shù)為100個，則深度設(shè)置為100。

例4： 一個8bit寬的異步 FIFO，輸入時鐘為100MHz，輸出時鐘為95MHz，設(shè)一個 frame 為4Kbit，且兩個 frame 之間的發(fā)送間距足夠大。求FIFO的最小深度？ burst_length = 4K/8 = 4*1024/8 = 4096/8 = 512。 因為X和Y的值沒有給出，所以默認為1。 fifo_depth = 512 - 512*(95/100) = 25.6 ，所以fifo_depth最小取值是26 。

系統(tǒng)設(shè)計的問題——流量平衡

為了保證輸入數(shù)據(jù)（負載）全部通過，輸出吞吐量要大于輸入吞吐量；但也不要太大，以免設(shè)計過剩。 所以有， (r_clk?X/Y)=(w_clk?A/B) $$( r/_clk * X/Y ) = ( w/_clk * A/B )$$ 等式左邊是系統(tǒng)設(shè)計吞吐量，右邊是負載流量。

例5： 兩個異步時鐘域數(shù)據(jù)接口，寫時鐘頻率是19MHz，讀時鐘為20MHz，讀寫是同時進行的，輸入數(shù)據(jù)不間斷。求FIFO的最小深度？ 顯然有， ( r_clk * X/Y ) > ( w_clk * A/B ) 故理論上FIFO的最小深度是1。

聲明：本博文轉(zhuǎn)自下面鏈接，并做了少許修改和補充。屬于個人學習筆記，歡迎討論！

參考文檔

[1] http://blog.csdn.net/u011412586/article/details/10241585/