FIFO（First in First Out）是异步数据传输时经常使用的存储器。

特点：数据先进先出（后进后出）

工作流程：

在写时钟和状态信号的控制下，数据下入FIFO中。RAM的写地址从0开始，每写一次数据写指针加一，指向下一个存储单元。当FIFO写满后，数据将不再写入，否则数据会因覆盖而丢失。

FIFO数据为非空，或满状态时，在读时钟和状态信号的控制下，可以将数据从FIFO中读出。RAM的读地址从0开始，每读一次数据读地址指针加一，指向下一个存储单元。当FIFO读空后，就不能再读数据，否则读出的数据将是错误的。

FIFO的存储结构为双口RAM，所以允许读写同时进行。典型异步FIFO结构图如下所示。

读写时刻：

关于写时刻，只要FIFO中数据为非满状态，就可以进行写操作；如果FIFO为满状态，则禁止再写数据。

关于读时刻，只要FIFO中数据为非空状态，就可以进行读操作；如果FIFO为空状态，则禁止再读数据。

一段正常读写FIFO的时间段，如果读写同时进行，则要求写FIFO速率不能大于读速率。因为如果写速率过快，超过了读速率，那么FIFO中的数据就会积累，直到达到其容量上限。一旦FIFO写满，新的数据将无法再被写入，这可能导致数据丢失或覆盖，从而破坏数据的完整性和一致性。

读空状态

开始复位时，FIFO没有数据，空状态信号是有效的。当FIFO中被写入数据后，空状态信号拉低无效。当读数据地址追赶上写地址，即读写地址都相等时，FIFO为空状态。

因为是异步FIFO，所以读写地址进行比较时，需要同步打拍逻辑，就需要耗费一定时间。所以空状态的指示信号不是实时的，会有一定的延时。如果在这段延迟时间内又有新的数据写入FIFO，就会出现空状态指示信号有效，但是FIFO中其实存在数据的现象。（严格来讲，该空状态指示是错误的。但是产生空状态的意义在于防止读操作对空状态的FIFO进行数据读取。产生空状态信号时，实际FIFO中有数据，相当于提前判断了空状态信号，此时不再进行读FIFO数据操作也是安全的。所以，该设计从应用上来说是没有问题的）

写满状态

开始复位时，FIFO没有数据，满信号是无效的。当FIFO中被写入数据后，此时读操作不进行或读速率相对较慢，只要写数据地址超过读数据地址一个FIFO深度时，便会产生满状态信号。此时写地址和读地址也是相等的，但是意义易不一样的。

此时经常使用多余的1bit分别当做读写地址的拓展位，来区分读写地址相同的时候，FIFO的状态是空还是满状态。当读写地址与拓展位均相同的时候，表明读写数据的数量是一致的，则此时FIFO是空状态。如果读写地址相同，拓展位为相反数，表明写数据的数量已经超过读数据数量的一个FIFO深度，此时FIFO是满状态。当然，此条件成立的前提是空状态禁止读操作、满状态禁止写操作。

同理，由于异步延迟逻辑的存在，满状态信号也不是实时的。但是也相当于提前判断了满状态信号，此时不再进行写FIFO操作也不会影响应用的正确性。注意，写满状态信号，是在写时钟域产生的。

格雷码

1. 当读写时钟都是同一个时钟时，此时FIFO是同步的，直接对读写指针进行比对，产生空、满信号即可。

1. 当读写时钟是异步的时候，因为读时钟域产生读空信号，写时钟域产生写满信号，所以产生空逻辑信号时，需要将写指针同步到读时钟域，再与读指针进行比较；产生满逻辑信号时，需要将读指针同步到写时钟域，再与写指针进行比较。

（在异步FIFO设计中，读指针和写指针可能工作在不同的时钟域，这意味着它们的更新和比较不能直接在各自的时钟域中进行。

当FIFO为空时，意味着没有更多的数据可供读取。为了检测这种情况，我们需要比较读指针和写指针。但是，由于写指针在写时钟域，而读指针在读时钟域，直接比较这两个指针可能会导致错误的结果。因此，我们需要将写指针同步到读时钟域，确保在比较时两者都处于相同的时钟边界。同步后的写指针与读指针进行比较，如果它们相等或满足其他预定的条件，就表明FIFO为空，从而产生空逻辑信号。同样地，当FIFO满时，意味着没有更多的空间可以写入新的数据。为了检测这种情况，我们需要比较读指针和写指针。但是，由于读指针在读时钟域，而写指针在写时钟域，我们也需要进行同步处理。因此，将读指针同步到写时钟域，再与同步后的写指针进行比较。如果它们相等或满足其他预定的条件，就表明FIFO已满，从而产生满逻辑信号。）

1. 因为读写指针的宽度一般都是大于1bit的，所以同步处理时不能直接对多位宽的读写指针进行延迟打拍，需要借助格雷码对读写指针进行转换，保证每一个周期内地址指针只有1bit变化，然后再进行延迟打拍的同步处理。

（格雷码是一种二进制编码方式，其相邻的两个数值只有一个位的差异，这种特性使得格雷码在变化时只涉及到一个位的翻转，从而减少了由于多位同时变化可能带来的不稳定性和错误。如果直接使用二进制编码的指针，由于多位可能同时变化，就可能导致同步过程中的错误或冲突。）

（4）4bit的二进制码与格雷码之间的变化关系如下所示。由图可知，二进制对应的十六进制码递增时，二进制码对应的相邻的两个格雷码之间只有1bit数据有变化。当多位宽信号每次只有1bit数据变化时，可以使用延迟打拍的方法对其进行同步处理。

1. 下面对空逻辑的产生进行举例说明

（5.1）首先需要对写指针waddr进行组合逻辑的格雷码变换waddr_gray

（5.2）为了保证waddr_gray在读时钟域每次被采集时只有1bit数据变化，则waddr_gray需要在其源时钟域即写时钟域进行一拍缓存waddr_gray_d。因为waddr到waddr_gray的组合逻辑变换时，每次两者之间不只是有1bit变化的。

（5.3）在读时钟域对waddr_gray_d进行打拍同步，得到读时钟域同步后的指针为waddr_gray_rclk。

（5.4）根据格雷码的变换规则，空信号有效时二进制相等的读写指针，变为格雷码之后仍然相等。所以直接使用waddr_gray_rclk与读指针进行组合逻辑变换后的格雷码进行相等比较，即可产生读空信号逻辑。

（5.5）需要说明的是，满信号有效时，带有拓展位的读写指针高1bit相反，低位相同。所以变为格雷码之后，写满信号产生的条件，则是读写指针高2bit相反，低位相同

   （因为）当读指针指向7，写指针指向8时，除了高1位，低位都相同。但不能说它为满。因此高2位可以更稳定地判断满信号。

FIFO设计

设计要求

为设计应用于各种场景的FIFO，这里对设计提出如下要求

1. FIFO是异步的，即读写控制信号来自不同的时钟域。
2. FIFO深度，宽度参数化，输出空、满状态信号，并输出一个可配置的满状态信号。当FIFO内部数据达到设置的参数数量时，该信号拉高，此时需要对格雷码进行反解码。
3. 输入数据和输出数据位宽可以不一致，但要保证写数据，写地址位宽与读数据、读地址位宽的一致性。

例如：写数据位宽为8bit，写地址位宽为6bit（64个数据）。如果输出数据位宽要求32bit，则输出地址位宽应该为4bit（16个数据）

因为：写地址位宽为6bit，那么FIFO将有2^6=64个独立的存储单元，每个单元可以存储一个8bit的数据。因此总数量为64*8=512个数据。

因此输出地址需要512/32=16个单元，所以输出地址位宽为4bit

双口RAM设计

RAM地址位宽、数据位宽等端口参数可配置，读写位宽一致。实际中RAMDP（Dual Port）是需要使用Memory IP，这里创建的RAM并没有考虑到异步的问题

参考资料

格雷码下的 fifo空满判断_fifogray码判断空/满标志位-程序员宅基地

（数字 IC 设计）4.4 FIFO 设计 - 知乎