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文章目录
- 前言
- 一、FIFO的最小深度
- 写速度快于读速度
- 写速度等于或慢于读速度
- 二、 举例说明
- 1. FIFO写时钟为100MHz，读时钟为80Mhz
- 情况一：一共需要传输2000个数据，求FIFO的最小深度
- 情况二：100个时钟写入80个数据，1个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
- 情况三：100个时钟写入80个数据，3个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
- 三、什么情况下不太需要考虑FIFO的最小深度
FIFO的设计可参考
FIFO的Verilog设计（一）——同步FIFO
FPGA的Verilog设计（二）——异步FIFO
参考文献
[1]FIFO最小深度计算
前言
在实际使用FIFO时，需要考虑FIFO的深度如何设置，如果深度设置不当，可能会出现资源浪费或者数据丢失等情况。下面将简要介绍FIFO的最小深度如何计算。
一、FIFO的最小深度
由前两篇文章对FIFO的介绍，FIFO常用于数据缓存、数据匹配和多bit跨时钟域处理。
因此在读写速度不匹配的时候可以使用FIFO，进行数据缓存。当读速度慢于写速度时，FIFO可作为一个缓存单元。此时总会有部分数据缓存在FIFO中，但是如果读写速度相差过大，就会导致数据溢出。所以在写速度最大、读速度最小时，正好不导致FIFO出现数据溢出的最小深度。当读速度快于写速度时，FIFO更多的是起着变换时钟域的作用。
写速度快于读速度
FIFO写速度快于读速度模型的应用场景为，无论是数据需不需要跨时钟域，只要FIFO写速度快于读速度，FIFO写入一个数据需要 t 1 t_1 t1秒，读出一个数据需要 t 2 t_2 t2秒（ t 1 < t 2 t_1<t_2 t1<t2），一共需要传输 n n n个数据。
FIFO写入n个数据的时间为 n t 1 nt_1 nt1，FIFO在 n t 1 nt_1 nt1时间内读出数据个数为 n t 1 t 2 \frac{nt_1}{t_2} t2nt1，此时FIFO中剩余数据个数 ⌈ n − n t 1 t 2 ⌉ \lceil n-\frac{nt_1}{t_2} \rceil ⌈n−t2nt1⌉。
写速度等于或慢于读速度
FIFO写速度等于或慢于读速度模型的应用场景为，在多bit数据需要变换时钟域情况下，FIFO的最小深度设置为1即可。因此FIFO只是起着变换时钟域的作用。
二、 举例说明
1. FIFO写时钟为100MHz，读时钟为80Mhz
情况一：一共需要传输2000个数据，求FIFO的最小深度
FIFO写入一个数据需要 t 1 = 1 100 M t_1=\frac{1}{100M} t1=100M1s，读出一个数据需要 t 2 = 1 80 M t_2=\frac{1}{80M} t2=80M1s
FIFO写入2000个数据需要的时间 n t 1 = 2000 100 M nt_1=\frac{2000}{100M} nt1=100M2000s
FIFO在 n t 1 nt_1 nt1时间内读出数据个数为 n u m r d = n t 1 t 2 = 2000 ∗ 80 M 100 M = 1600 num_{rd} = \frac{nt_1}{t_2} = \frac{2000*80M}{100M} = 1600 numrd=t2nt1=100M2000∗80M=1600
此时FIFO剩余数据个数为 n u m = 2000 − n u m r d = 2000 − 1600 = 400 num = 2000 - num_{rd} = 2000-1600 = 400 num=2000−numrd=2000−1600=400
可得FIFO最小深度为400。
情况二：100个时钟写入80个数据，1个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
FIFO写入一个数据需要 t 1 = 1 100 M t_1=\frac{1}{100M} t1=100M1s，读出一个数据需要 t 2 = 1 80 M t_2=\frac{1}{80M} t2=80M1s
100个时钟写入80个数据，可以理解为80个有效写时钟和20个无效写时钟。
此为突发读写情况，需要考虑什么时候突发写的数据最多。当前后两个100时钟的突发写是连续时，突发写的数量最多，如下图所示
FIFO写入160个数据需要的时间 n t 1 = 160 100 M nt_1=\frac{160}{100M} nt1=100M160s
FIFO在 n t 1 nt_1 nt1时间内读出数据个数为 n u m _ r d = n t 1 t 2 = 160 ∗ 80 M 100 M = 128 num\_rd = \frac{nt_1}{t_2} = \frac{160*80M}{100M} = 128 num_rd=t2nt1=100M160∗80M=128
此时FIFO剩余数据个数为 n u m = 160 − n u m _ r d = 160 − 128 = 32 num = 160 - num\_rd = 160-128 = 32 num=160−num_rd=160−128=32
可得FIFO最小深度为32。
note:诀窍在于找出最大连续写入的数据量。
情况三：100个时钟写入80个数据，3个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
FIFO写入一个数据需要 t 1 = 1 100 M t_1=\frac{1}{100M} t1=100M1s，读出一个数据需要 t 2 = 3 ∗ 1 80 M t_2=3*\frac{1}{80M} t2=3∗80M1s
同上情况，FIFO最大连续写入的数据量，写入160个数据需要的时间 n t 1 = 160 100 M nt_1=\frac{160}{100M} nt1=100M160
FIFO在 n t 1 nt_1 nt1时间内读出数据个数为 n u m _ r d = n t 1 t 2 = 160 ∗ 80 M 3 ∗ 100 M = 42.67 num\_rd = \frac{nt_1}{t_2} = \frac{160*80M}{3*100M} = 42.67 num_rd=t2nt1=3∗100M160∗80M=42.67
此时FIFO剩余数据个数为 n u m = 160 − n u m _ r d = 160 − 42.67 = 117.33 num = 160 - num\_rd = 160-42.67 = 117.33 num=160−num_rd=160−42.67=117.33
可得FIFO最小深度为 ⌈ 117.33 ⌉ = 118 \lceil117.33\rceil=118 ⌈117.33⌉=118，可以设置成2的幂次方128。
三、什么情况下不太需要考虑FIFO的最小深度
何时不用过分考虑FIFO的最小深度？在数据发送端如果能够接受FIFO的空满信号反馈时可以设置个大概的深度即可。利用FIFO的空满信号（或者almost_full/almost_empty）的反馈来控制FIFO的读写使能能够有效解决数据的溢出。