IC设计基础系列之CDC篇10：跨时钟域信号传输（二）——数据信号篇B

look_w

·FIFO的空满信号产生空状态信号：
　　一开始复位的时候，空信号是有效的，当写了数据之后，空信号就无效了。然后当数据被读取完之后，空信号就有效了。那么什么时候数据被读取完了呢，也就是数据被读取完的时候有什么特征呢？特征就是读地址和写地址相等，如下所示：
                 


　　由于读地址要追赶写地址，在赶上的时候，地址全等就证明了读空了。
　　也许有人会问：写地址由于要同步到读时钟域去，会存在同步延时的，比如 说t=0s的时候同步过去，此时写地址为A；在t=2s的时候A同步过来了，但是这个 时候写地址已经变为A+2,而你同步过来的这个写地址为A。如果在t=2s这个时候读地址=A，即读地址=写地址，读赶上了写，按照上面的设计想法就会产生读空信号，但是实际上是不相等的，也就是实际上读并没有赶上写，即没有读空的，这不就是产生错误的读空信号了吗？
　　首先，是存在这样的情况，但是这种情况不是设计错误。一方面由于我们要产生读空信号，目的是也就是防止继续读从而读出错误的数据；实际上没有读空，即使产生了读空信号，也是没有影响，相当于提前判断产生读空信号而已。另一方面由于是读时钟域采样的读的地址，这个读地址是实时的；写地址是延时的，当这个两者相等时，我们这个实时的地址在比实际的写地址小的时候就产生读空信号，防止了读空。因此即使产生读空信号，也不会因为读空而产生错误的数据。因此是没有设计错误的。
写满状态：
　　一开始复位之后，进行写数据；由于地址（假设地址是4位，也就是深度是4位）是可以回卷的，也就是说，写指针从3写到15后，继续写又会返回到3那里；假如复位后读操作只读到地址3那里就不读了，那么这个时候就写满了。也就是说，写满的时候，写地址和读地址是相等的，如下所示：
            


于是乎，我们该怎么区分在读地址和写地址相同的时候是读空还是写满呢？下面来介绍一种常用的方法：
　　将地址深度拓宽1位当做标志位，回卷一次标志位取反。比如上面的例子中，4bit地址拓宽为5bit，那么读地址就是3（由于读地址没有回卷，所以是（0）0011）那里，当写地址回卷之后与读地址相同（由于写地址回卷了，最高位取反，所以是（1）0011），因此这就是写满了。当读地址回卷之后，变成10011，这个时候，就读空了。也就说，虽然DPRAM的深度还是4bit，但是我们在进行设计地址寄存器的时候，增多一位当做状态。然后读写地址全相等的时候，表示是读空；除了标志位外，剩余的地址为全部相等，那么就表示是写满。
　　这里还是会产生与前面的空信号一样的问题，也就是同步过来的读信号是延时的值，与前面一样，是不会影响写满信号的，不属于设计错误。


　　除了上面这种方法之外，在同步FIFO中，还可以使用计数器的方法。设置一个状态计数器，复位的时候为0。写的时候，计数器加1；读的时候，计数器减1。那么很容易得出，计数器为0的时候，就是读空就有效了；当计数器等于FIFO的深度（2^n  -  1）时，就说明写满了。这种方法如果FIFO深度很大的话，就需要很大的计数器了，所以有局限性。
　　从上面的分析中，由此也可以知道，空信号的产生需要把写地址同步到读时钟域，然后进行比较（比较之后产生）；满的信号需要把读地址同步到写时钟域，然后进行比较（比较之后产生）。


　　·为什么要选择格雷码作为同步地址的编码
　　首先，我们知道，读地址需要跟写地址比较来产生空和满信号，然后对于异步FIFO，读写为不同时钟，如果直接采样，就会有：类似前面数据产生多位亚稳态的问题，（时序图就不画了）比如写地址从00111改变从01000的时候，读时钟恰好采样，那么除了最高位外，其它的4位都有可能产生亚稳态，有可能同步得错误的地址。这是引入格雷码的一个原因。另外一个原因就是：无论是读地址还是写地址，在（允许）进行读和写之后，地址都是加1，而不是加2或者加3等其他的值。为什么会这样呢？我们来看看格雷码的编码：
               
　　从上图中我们可以知道，从地址0变成地址1，格雷码和二进制码都是0000变成0001；地址从1变成地址2，格雷码是0001变成0011，而二进制是0010......我们很容易得到，在相邻地址变化中，格雷码只有一位发生变化，如地址从7变为8时，格雷码是0100变成1100，也就是只有最高位发送变化；我们再来看看二进制编码，二进制编码则有可能全部都改变，地址从7变为8时，二进制码是0111变成1000，4位都发生了变化。假如采样的时候地址恰好从7变为8时，那么二进制编码就有多位发生亚稳态，稳定后的值什么都有可能；而格雷码由于只有最高位跳变，第三位由于没有跳变，不会产生亚稳态可以稳定正确采样，稳定后的值只有0100和1100，地址只差数值1，是不会影响判断的结果的（因为是同步过来的，是个延时的值，不打紧）。
　　知道了格雷码的优点之后，我们就要使用各格雷码了。由于RAM的读写地址都是(传统)二进制编码，这里使用格雷码有两种使用方法，第一种使用方式是，将二进制编码转换成格雷码，然后把格雷码同步过去，再把同步过来的格雷码反转换成二进制码，进行二进制地址和二进制地址的比较；另外一种使用方式是，将二进制编码转换成格雷码，然后把格雷码同步过去，然后使用格雷码进行比较。这里使用第一种方式，虽然这种方式比较需要多两块格雷码转二进制的电路，但是我们可以实时比较，能将寻址的二进制马上与同步过来的“延时”二进制进行比较；使用格雷码比较的话，实际值会慢一拍（因为实时方的格雷码需要寄存输出，会慢一拍，如果不寄存输出，就有可能产生毛刺）。
然后格雷码的与二进制的互相转换如上图，下面是转换讲解（左边为格雷转二进制，右边为二进制转格雷）：
                 
在布尔代数里面有A^B=C →A=B^C