Во FPGA и цифровом проектировании цепей FIFO (First In First Out) является обычной структурой буферизации данных, особенно при передаче данных между разными тактовыми доменами. Асинхронное FIFO играет ключевую роль. Расчет глубины асинхронного FIFO, который определяет количество данных, которые может буферизовать FIFO, является ключевой задачей в процессе проектирования. Эта статья углубится в принципы и методы расчета глубины асинхронного FIFO и предоставит соответствующие примеры реализации кода.

Принципы расчета глубины асинхронного FIFO

Глубина асинхронного FIFO относится к количеству данных, которые оно может буферизовать, обычно выражаемому в "словах" или "битах". Расчет глубины асинхронного FIFO требует учета нескольких факторов, включая частоты тактовых сигналов чтения и записи, ширину битов данных и различия в скорости записи и чтения данных.

Различия в частоте тактовых сигналов: Операции чтения и записи асинхронного FIFO контролируются разными тактовыми доменами, и разница в частотах тактовых сигналов напрямую влияет на требуемую глубину. Если частота тактового сигнала записи выше, чем частота тактового сигнала чтения, FIFO нуждается в достаточной глубине для буферизации избыточных записанных данных, чтобы предотвратить переполнение данных.

Ширина битов данных: Ширина битов FIFO определяет размер каждого блока хранения, влияя на общую емкость. При расчете глубины общая емкость должна быть преобразована в количество блоков данных на основе ширины битов данных.

Различия в скорости данных: Помимо частоты тактовых сигналов, могут также существовать различия в скорости записи и чтения данных. Например, в некоторых приложениях скорость записи может быть намного выше скорости чтения, что требует большей глубины FIFO для буферизации данных.

Методы расчета глубины асинхронного FIFO

Расчет глубины асинхронного FIFO основывается на следующих методах:

Расчет на основе указателей чтения и записи

Глубина асинхронного FIFO может быть получена путем расчета расстояния между указателем записи и указателем чтения. Однако этот метод должен учитывать порядок записи и чтения данных, а также проблему синхронизации между тактовыми доменами.

Расчет на основе частоты тактовых сигналов и временных параметров

Предполагая, что частота входного тактового сигнала равна f_in, а частота выходного тактового сигнала равна f_out, глубина асинхронного FIFO может быть рассчитана с использованием следующей формулы:

глубина = ⌈скорость × (tsetup + thold) / tin⌉

где скорость - это отношение двух частот тактовых сигналов, tsetup - это рекомендованное время установки, указанное инструментом временного анализа, thold - это задержка конвейера, а tin - это период входного тактового сигнала.

Расчет на основе скорости чтения и записи и объема данных

В определенных сценариях приложений минимальная глубина FIFO может быть рассчитана на основе скорости чтения и записи и объема данных. Например, если определенное количество выборок данных должно быть передано от A/D преобразователя к процессору DSP без потери данных, минимальная глубина FIFO должна быть рассчитана на основе скорости выборки и скорости чтения DSP.

Реализация кода расчета глубины асинхронного FIFO

В FPGA проектировании реализация асинхронного FIFO обычно включает языки описания аппаратуры, такие как Verilog или VHDL. Ниже приведен упрощенный пример кода на Verilog, иллюстрирующий основные принципы расчета глубины асинхронного FIFO:

verilog

module async_fifo (

parameter DATA_WIDTH = 8, // Ширина битов данных

parameter FIFO_DEPTH = 256 // Глубина FIFO, обычно степень двойки

)(

input wire wr_clk, // Тактовый сигнал записи

input wire rd_clk, // Тактовый сигнал чтения

input wire wr_en, // Разрешение записи

input wire rd_en, // Разрешение чтения

input wire [DATA_WIDTH-1:0] wr_data, // Данные для записи

output reg [DATA_WIDTH-1:0] rd_data, // Данные для чтения

output reg wr_full, // Флаг полной записи

output reg rd_empty // Флаг пустого чтения

);

// Внутренние сигналы и логика (опущено)

// Пример расчета глубины FIFO (не прямое внедрение кода, а идея проектирования)

// В реальном проектировании глубина FIFO определяется во время инстанцирования модуля, это просто для иллюстрации

// Предполагая, что рассчитанная минимальная глубина FIFO на основе требований приложения составляет 128, и выбирая 256, так как это степень двойки

// ... (Внедрение внутренней логики FIFO, включая управление указателями чтения и записи, определение флагов пустоты и полноты и т.д.)

endmodule

Обратите внимание, что приведенный выше код не реализует напрямую расчет глубины FIFO, так как глубина FIFO задается через параметры во время инстанцирования модуля. Однако комментарии в коде иллюстрируют, как рассчитать глубину FIFO на основе требований приложения в реальном проектировании и передать ее в качестве параметра модулю асинхронного FIFO.

Заключение

Расчет глубины асинхронного FIFO является важной задачей в проектировании FPGA, непосредственно влияющей на эффективность и надежность передачи данных. Правильный расчет глубины FIFO позволяет предотвратить переполнение и потерю данных при передаче между разными тактовыми доменами. В этой статье были представлены принципы и методы расчета глубины асинхронного FIFO, а также предоставлены соответствующие примеры реализации кода, с надеждой, что это окажется полезным для разработчиков FPGA. В реальном проектировании разработчикам также необходимо гибко выбирать методы расчета на основе конкретных сценариев и требований приложения и оптимизировать проектирование FIFO для достижения наилучшей производительности.