FIFO存储器和结构模型_mmc block中的fifo

一、FIFO是什么？

FIFO: First in, First out。代表先进的数据先出 ，后进的数据后出。

FPGA或者ASIC中使用到的FIFO一般指的是对数据的存储具有先进先出特性的一个存储器，常被用于数据的缓存或者高速异步数据的交互。

FIFO从大的情况来分，有两类结构：单时钟FIFO（SCFIFO）和双时钟FIFO(DCFIFO)，其中双时钟FIFO又可以分为普通双时钟（DCFIFO）和混合宽度双时钟FIFO(DCFIFO_MIXED_WIDTHS)。

混合：输入数据和输出数据的数据宽度不同。

三种FIFO结构的英文含义如下所示：

• SCFIFO: single-clock FIFO

• DCFIFO: dual-clock FIFO (supports same port widths for input and output data)

• DCFIFO_MIXED_WIDTHS: dual-clock FIFO (supports different port widths for input and output data)

注意: 在没有特别指明的情况下，混合宽度双时钟FIFO和双时钟FIFO统称为双时钟FIFO。

单时钟FIFO具有一个独立的时钟端口clock，因此所有输入信号的读取都是在clock的上升沿进行的，所有输出信号的变化也是在clock信号的上升沿的控制下进行的，即单时钟FIFO的所有输入输出信号都是同步于clock信号的。单时钟FIFO常用于片内数据交互。

双时钟FIFO结构中，写端口和读端口分别有独立的时钟，所有与写相关的信号都是同步于写时钟wrclk的，所有与读相关的信号都是同步于读时钟rdclk的。在双时钟FIFO的符号图中，位于上部分的为与写相关的所有信号，位于中间部分的为与读相关的所有信号，位于下部的为异步清零信号。双时钟FIFO的一个典型应用就是异步数据的收发。

二、为什么需要FIFO？

FIFO存储器是系统的缓冲环节，如果没有FIFO存储器，整个系统就不可能正常工作。

FIFO的功能可以概括为：

（1）对连续的数据流进行缓存，防止在进机和存储操作时丢失数据；

（2）数据集中起来进行进机和存储，可避免频繁的总线操作，减轻CPU的负担；

（3）允许系统进行DMA操作，提高数据的传输速度。这是至关重要的一点，如果不采用DMA操作，数据传输将达不到传输要求，而且大大增加CPU的负担，无法同时完成数据的存储工作。

三、FIFO的几个重要概念

读写时钟：根据FIFO工作的时钟域分为同步/异步FIFO。同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟在时钟沿来临时同时发生读写。异步FIFO读写时钟不一致，读写相互独立。

读写控制：读写控制的使能

满信号：FIFO里面的信号数量达到了最大深度值

空信号：FIFO里面的信号全部被读出

读写指针：总是指向下一个地址

深度：FIFO所能容纳的最大信号数量

四、如何通俗理解FIFO

其实FIFO理解起来很简单，就像一个水池，如果写通道打开了，就代表我们在加水，如果读通道打开了就代表我们在放水，假如不间断的加水和放水，如果加水速度比放水速度快，那FIFO 就会有满的时候，如果满了还继续加水就会溢出overflow 如果放水速度比加水速度快 ，那么 FIFO就会有空的时候。

FIFO的空满检测
空信号：我们可以想象一下当写信号较慢的时候，读信号较快，那么读信号指针就会追上写信号指针则会产生EMPTY的空信号。或者reset复位时也是空信号。

满信号：当写指针快于读指针，写信号较快，很容易使得写指针越过最大深度后追上读指针，那么就会产生满溢出信号。

理解这两种信号的机制并不难，但是使用起来就需要费功夫的。

一般有两种方法检测：

（1）Extra bit

一般情况下深度为N=2^n的FIFO其地址的位宽为n，其读写地址的位宽也为n。共有N个存储单元，若数据位宽为W则该FIFO的容量即为N*W bit。

现在在指针中添加额外的位（extra bit，即地址的MSB）变为n＋１bit，该extra bit用于指示写指针是否递增并越过最后一个FIFO地址，若越过则将该MSB加1，其它位清零。对读指针也进行同样的操作。如对于深度为8的FIFO，需要采用３＋１bit是计数器：0000-1000、1001-1111，MSB作为折回标志，而低3位作为地址指针。

那么判断机制为：

*如果两个指针的MSB不同，就说明写指针比读指针多折回一次：如r_addr=0000,且w_addr=1000,为满；

*如果两个指针的MSB相同，就说明两个指针折回次数相等。再者其余位相等（则说明FIFO为空。

这个方法增加一位数据的开销来获得判断。

（2）设置计数器

设置一个data_counter, 当写使能有效时每写入一个data计数器同时加1；读操作时，每读出一个data时该计数器减1。如此，当data_counter为0时FIFO空，当data_counter计数至FIFO深度deep时，表示FIFO写满。

由于计数器会占用额外的资源，当FIFO较大时，可能会降低FIFO的读写速度。