异步 FIFO 最小深度计算方法及原理分析（转补）

2019-11-14 12:38:00

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计算 FIFO 深度是设计 FIFO 中常遇到的问题。常识告诉我们，当读速率慢于写速率时（瞬时速率），FIFO 便可被用作系统中的缓冲元件或队列。FIFO 的大小取决于读写数据的速率，系统的数据速率取决于系统的负载能力，因此为了保证系统性能，我们需要考虑 FIFO 传输的最坏情况。所谓最坏的情况就是使得写速率最大，读速率最小的时候考虑突发传输。

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异步 FIFO 最小深度计算原理

FIFO 用于缓冲块数据流，一般用在写快读慢突发传输的情况，遵循的规则如下：

FIFO深度(写入速率−读出速率)=FIFO被填满时间>数据包传送时间=写入最大突发数据量写入速率 $/frac{FIFO 深度} {(写入速率 - 读出速率)} = {FIFO 被填满时间} > {数据包传送时间} = /frac{写入最大突发数据量}{写入速率}$

即是确保对FIFO写数据时不存在 Overflow 。

例1： A/D 采样率50MHz，DSP 读 A/D 的速率40MHz，要不丢失地将10万个采样数据送入 DSP，在 A/D 在和 DSP 之间至少设置多大容量的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。

异步 FIFO 最小深度常用计算公式

这里假设读写 FIFO 是可以同时进行的，写时钟频率 w_clk，读时钟频率 r_clk，写时钟周期里，每 B 个时钟周期会有 A 个数据写入 FIFO，读时钟周期里，每 Y 个时钟周期会有 X 个数据读出 FIFO，则 FIFO 的最小深度的计算公式如下： fifo_depth=burst_length−burst_length∗(X/Y)∗(r_clk/w_clk) $fifo/_depth = burst/_length - burst/_length * (X / Y) * (r/_clk / w/_clk)$ 此公式可从上面原理推导而来。

例2：如果100个写时钟周期可以写入80个数据，10个读时钟可以读出8个数据。令w_clk=r_clk ，考虑背靠背 (20个clk不发数据＋80clk发数据＋80clk发数据＋20个clk不发数据的200个clk) ，代入公式可计算 FIFO 的深度， fifo_depth = 160-160*80% = 160 - 128 = 32

如果令w_clk＝200MHz，改为100个w_clk里写入40个，r_clk＝100MHz，10个r_clk里读出8个，那么 FIFO 深度为48。计算如下， fifo_depth = 80 - 80 * 80% * (100/200) = 80 - 32 = 48

注：将fifo_depth=burst_length−burst_length∗(X/Y)∗(r_clk/w_clk) $fifo/_depth = burst/_length - burst/_length * (X/Y) * (r/_clk/w/_clk)$ 作个变形，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)] $[ burst/_length * (1/w/_clk) ]$ 表示这个burst的持续时间， [Y∗(1/r_clk)/X] $[ Y*(1/r/_clk) / X ]$ 表示读出每个数据所需的时间（即：读的实际速度）。两者相除自然就是这段时间读出的数据量。显然burst_length表示这段时间写入的数据量，两者的差为 FIFO 中残留的数据，这个也就是理论上的 FIFO 的最小深度。实际应用中往往是以半空半满信号来指示 FIFO 的空满状态的，所以实际设计 FIFO 的时候会至少留下一个数据空间的深度裕量。

读写 FIFO 不是同时进行的情况下

假如读写 FIFO 不是同时进行的，FIFO 深度就是写数据最大突发个数。

异步 FIFO 最小深度计算实例

例3：如两个异步时钟域数据接口，假如读写是同时进行的，一般设置 FIFO 的深度就要对应两个时钟以及对应写最大的突发数据。假设写时钟频率是40MHz，读时钟为25MHz，在写端最大突发写数据个数为100个数据。对应深度计算：100(1-25/40)=37.5，对应深度设置至少为38。

假如读写不是同时的，这就需要设置深度为写数据最大突发个数，如上例中，对应最大突发个数为100个，则深度设置为100。

例4：一个8bit宽的异步 FIFO，输入时钟为100MHz，输出时钟为95MHz，设一个 frame 为4Kbit，且两个 frame 之间的发送间距足够大。求FIFO的最小深度？ burst_length = 4K/8 = 4*1024/8 = 4096/8 = 512。因为X和Y的值没有给出，所以默认为1。 fifo_depth = 512 - 512*(95/100) = 25.6 ，所以fifo_depth最小取值是26 。