异步FIFO的实现

异步FIFO是verilog中常见的设计，通常用于不同时钟域下的数据同步。

在实现 FIFO 时，无论是同步 FIFO 还是异步 FIFO ，通常会通过双口 RAM （ Dual Port RAM ）并添加一些必要的逻辑来实现。双口 RAM的设计如下：

//双口RAM，注意没有读写同步，可能会发生对同一地址的读写冲突问题
//使用时一口仅用于读，另一口仅用于写module full_dp_ram
#(parameter DW = 8,       //数据位宽parameter AW = 4,       //地址位宽parameter SZ = 2**AW    //数据深度
)
(input           clk_a,input           wen_a,input           ren_a,input  [AW-1:0] addr_a,input  [DW-1:0] wdata_a,output [DW-1:0] rdata_a,input           clk_b,input           wen_b,input           ren_b,input  [AW-1:0] addr_b,input  [DW-1:0] wdata_b,output [DW-1:0] rdata_b
);reg [DW-1:0] mem [SZ-1:0];reg [DW-1:0] q_a;always @ (posedge clk_a) beginif (wen_a) beginmem[addr_a] <= wdata_a;endif (ren_a) beginq_a <= mem[addr_a];endendreg [DW-1:0] q_b;always @ (posedge clk_b) beginif (wen_b) beginmem[addr_b] <= wdata_b;endif (ren_b) beginq_b <= mem[addr_b];endendassign rdata_a = q_a;assign rdata_b = q_b;
endmodule

在异步FIFO的框图中，只需要加入读、写控制逻辑即可。在写逻辑中，用于产生写地址和写满信号； 在读逻辑中，用于产生读地址和读空信号。 读写控制逻辑还需要受到读写使能信号的控制。

空： 读空，读地址追上写地址；

满： 写满，写地址追上读地址。

问题来了： 怎么判地址断追上了呢？ 如果地址相等那应该是追上了，即 raadr == waddr 或者 wddr == raddr 。 如果按照这种判断，显然这两个地址追上对方的判断是等效的，无法区分出来到底是写追上读还是读追上写。

因此一种方式是可以考虑： 使用 1 个标志位 flag 来额外指示写追上读还是读追上写。

以一个 4 深度的 FIFO 实例来说明， 4 深度原本需要 2 bit 的读写地址，现在扩展成 3 bit 。

使用低 2 位来进行双口 RAM 的地址索引，高位用于判断空满。 对于空信号，可以知道当 FIFO 里没有待读出的数据时产生。 也就是说，此时读追上了写，把之前写的数据刚刚全部都出，读地址和写地址此时指向相同的位置，即raddr == waddr

对于写满信号，当写入后还没被读出的数据恰好是 FIFO 深度的时候，产生满信号，即写地址 - 读地址 = FIFO 深度 = 4 。 对照下图可以发现，此时对于双口 RAM 的 2 bit 的地址来说，读写地址一致； 对于最高位来所，写是 1 而读是 0 。

再考虑下图所示的一种情况，写入待读出的数据仍然是 4 个，此时也是 4 深度的 FIFO 已经满了。 读写地址的低位相同，高位是写 0 读 1 。

异步FIFO设计代码如下所示：

//利用双口RAM实现异步FIFOmodule async_fifo
#(parameter DW = 8,        //数据宽度parameter AW = 4         //数据深度
)
(input           wclk,      input           rclk,  input           wrstn,input           rrstn,   input           wen,  input [DW-1:0]  wdata,  output          wfull,   //写满信号input           ren,  output [DW-1:0] rdata,output          rempty   //读空信号
);reg [AW:0] waddr;reg [AW:0] raddr;//sync_w2rwire [AW:0] wptr = waddr ^ {1'b0, waddr[AW:1]}; //转换为Gray Codereg  [AW:0] w2r_wptr1, w2r_wptr2;always @ (posedge rclk or negedge rrstn) begin  //用读时钟来同步写端信号if (!rrstn) beginw2r_wptr1 <= 0;w2r_wptr2 <= 0;endelse beginw2r_wptr1 <= wptr;w2r_wptr2 <= w2r_wptr1;endend//sync_r2wwire [AW:0] rptr = raddr ^ {1'b0, raddr[AW:1]};  //将二进制转换为Gray Codereg  [AW:0] r2w_rptr1, r2w_rptr2;always @ (posedge wclk or negedge wrstn) begin   //用写时钟来同步读端信号if (!wrstn) beginr2w_rptr1 <= 0;r2w_rptr2 <= 0;endelse beginr2w_rptr1 <= rptr;r2w_rptr2 <= r2w_rptr1;endend//statusassign rempty = (w2r_wptr2 == rptr);    assign wfull  = (wptr == {~r2w_rptr2[AW:AW-1], r2w_rptr2[AW-2:0]});  //写指针等于读指针最高位取反时表示满wire wr_flag = !wfull & wen;     //FIFO非满且写使能wire rd_flag = !rempty & ren;    //FIFO非空且读使能always @ (posedge wclk or negedge wrstn) beginif (!wrstn)waddr <= 0;else if (wr_flag)waddr <= waddr + 1'b1;elsewaddr <= waddr;endalways @ (posedge rclk or negedge rrstn) beginif (!rrstn)raddr <= 0;else if (rd_flag)raddr <= raddr + 1'b1;elseraddr <= raddr;endfull_dp_ram #(.DW          (DW),.AW          (AW)) ram (.clk_a       (wclk),.wen_a       (wr_flag),.ren_a       (1'b0),                //A口仅用于写.addr_a      (waddr[AW-1:0]),.wdata_a     (wdata),.rdata_a     (),.clk_b       (rclk),.wen_b       (1'b0),                //B口仅用于读.ren_b       (rd_flag),.addr_b      (raddr[AW-1:0]),.wdata_b     (0),.rdata_b     (rdata));endmodule

由于涉及异步时钟，因此需要读端到写端信号的同步和写端到读端的信号同步。异步FIFO在这里每个口只用作一种用途（读或写）。