FIFO的Verilog设计（三）——最小深度计算

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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$t_1$秒，读出一个数据需要$t_2$秒（$t_1<t_2$），一共需要传输$n$个数据。
  FIFO写入n个数据的时间为$n{t}_1$，FIFO在$n{t}_1$时间内读出数据个数为$\frac{n{t}_1}{t_2}$，此时FIFO中剩余数据个数$\lceil n-\frac{n{t}_1}{t_2}\rceil$。

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$t_1=\frac{1}{100M}$s，读出一个数据需要$t_2=\frac{1}{80M}$s
  FIFO写入2000个数据需要的时间$n{t}_1=\frac{2000}{100M}$s
  FIFO在$n{t}_1$时间内读出数据个数为 $nu{m}_{rd}=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{2000\ast 80M}{100M}=1600$
  此时FIFO剩余数据个数为$num=2000-nu{m}_{rd}=2000-1600=400$
  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$t_1=\frac{1}{100M}$s，读出一个数据需要$t_2=\frac{1}{80M}$s
  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$n{t}_1=\frac{160}{100M}$s
  FIFO在$n{t}_1$时间内读出数据个数为 $num\_rd=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{160\ast 80M}{100M}=128$
  此时FIFO剩余数据个数为$num=160-num\_rd=160-128=32$
  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$t_1=\frac{1}{100M}$s，读出一个数据需要$t_2=3\ast \frac{1}{80M}$s
  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$n{t}_1=\frac{160}{100M}$
  FIFO在$n{t}_1$时间内读出数据个数为 $num\_rd=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{160\ast 80M}{3\ast 100M}=42.67$
  此时FIFO剩余数据个数为$num=160-num\_rd=160-42.67=117.33$
  可得FIFO最小深度为$\lceil 117.33\rceil =118$，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。