FPGA FIFO深度計算

轉自：http://comm.chinaaet.com/adi/blogdetail/37555.html

首先，一定要理解清楚FIFO的應用場景，這個會直接關系到FIFO深度的計算，如果是面試官拋出的問題，那么有不清楚的地方，就應該進行詢問。如果是筆試或者工程中需要計算FIFO深度的話，那么就需要自己考慮清楚。

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其次，異步FIFO，讀寫時鐘不同頻，那么FIFO主要用于數據緩存，我們選擇的FIFO深度應該能夠保證在最極端的情況下，仍然不會溢出。因此考慮的前提一般都是寫時鐘頻率大于讀時鐘頻率，但是若寫操作是連續的數據流，那么再大的FIFO都無法保證數據不溢出。因此可以認為這種情況下寫數據的傳輸是“突發Burst”的，即寫操作并不連續，設計者需要根據滿標志控制或者自己來控制寫操作的起止。

宏觀地，從整個時間域上看，"寫數據=讀數據"，這個條件必須要滿足，如果這個大條件不滿足的話，用FIFO是沒有效果的。但是在發送方"突發"發送數據的時間T內，是很有可能寫數據>讀數據的，因此FIFO的深度要能夠保證，在這段時間T內，如果接收方未能將發送方發送的數據接收完畢的話，剩下的數據都是可以存儲在FIFO內部而且不會溢出的，那么在發送方停止發送數據的"空閑時隙"內，接收方可以從容地接收剩下來的數據。

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紅字部分就是個人認為在FIFO深度計算中，最重要的部分了。接著來看一個例子，這是我看一個網友寫時，是他當時遇到的一道筆試題。

一個8bit寬的AFIFO，輸入時鐘為100MHz，輸出時鐘為95MHz，設一個package為4Kbit，且兩個package之間的發送間距足夠大。問AFIFO的深度。

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因為這位網友可能只是簡述，因此信息并不完整，我的個人理解是這樣的場景，一個異步FIFO，讀寫頻率不同，讀寫位寬相同。發送發一次Burst突發的數據量為4Kbit，即500Word，在兩次Burst突發之間有足夠的時間，因此我們只用考慮在發送方Burst發送數據的時間T內，如果接受方沒法將數據全部接受，其余數據均可存在FIFO內且不溢出，那么在發送方停止Burst發送數據的時間段內，接收方就可以從容的從FIFO內讀取數據。首先發送方Burst發送數據的時間段為 T = 500/100MHz，發送的數據量為 B_send = 500word，而在T這段時間內，接收方能夠接受的數據量為B_rec =? T*95MHz = 500 * 95 / 100 word = 475word，因此 B_remain = B_send - B_rec = 500 - 475 = 25 。那么FIFO的深度至少要大于等于25才行。

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再看另外一個例子，還是從網上找到的，

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個數據寫入FIFO
讀時鐘周期里，每Y個時鐘周期會有X個數據讀出FIFO
則，FIFO的最小深度是？

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首先，我們可以認為寫操作是Burst突發的。

其次，寫操作的效率并不是100%的，而是A/B的，因此我們可以認為實際的F_wr = (A/B)*w_clk，同理，實際中F_rd = (X/Y)*r_clk。

另外，和第一個例子不同的是，這個題目里面并沒有約束Burst突發的場景，在正常情況下，應該是這樣的

空閑---Burst突發---空閑---Burst突發---空閑---Burst突發。但是我們在計算中，需要考慮最極端的情況，即

空閑---Burst突發---Burst突發---空閑---Burst突發---空閑。即傳輸過程中，可能會出現"背靠背"的情況，那么我們設計的FIFO深度必須能夠保正，在"背靠背"的時間段內，如果接收方沒法接受所有數據，那么剩余的數據可以被存儲在FIFO內部且不會溢出。那么就可以開始計算了。假設"背靠背"時發送的數據 = BL，那么"背靠背"的時間 =? BL / w_clk ，注意，這段時間內 F_wr = w_clk? 而不是之前提到的 (A/B)*w_clk。在這段時間內，接收方可以接受的數據 = (BL / w_clk)? * (X/Y)*r_clk ，

剩下的數據量 =?BL -? ( BL / w_clk ) * (X/Y)*r_clk，那么FIFO的深度至少就要為

" depth =? BL -? ( BL / w_clk ) * (X/Y)*r_clk "這樣的深度了。

將上述公式變換下，得到 depth = BL - BL? * (X/Y) * (r_clk/w_clk) 。這個公式就是網上流傳的計算FIFO深度的公式，我想應該就是這個推理過程吧。

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上述的討論的一個前提就是FIFO的讀寫位寬一致，如果這個條件不滿足的話，那么FIFO的深度的計算就更加復雜一些，但是我們還是可以把FIFO的讀寫位寬也折合成一定的因子，帶入 實際的F_wr = (A/B)*w_clk 和 F_rd = (X/Y)*r_clk 中去，應該是是可以解決的。