以下文章來源于瓜大三哥 ，作者米果不回來
數字IC設計中我們經常會遇到這種場景，工作在不同時鐘域的兩個模塊，它們之間需要進行數據傳遞，為了避免數據丟失，我們會使用到FIFO。當讀數據的速率小于寫數據的速率時，我們就不得不將那些還沒有被讀走的數據緩存下來，那么我們需要開多大的空間去緩存這些數據呢？緩存開大了會浪費資源，開小了會丟失數據，如何去計算最小FIFO深度是我們討論的重點。
數據突發長度(burst length)
在講解如何去計算FIFO深度之前，我們來理解一個術語burst length，如果你已經了解了可以跳過。要理解數據的突發長度，首先我們來考慮一種場景，假如模塊A不間斷的往FIFO中寫數據，模塊B同樣不間斷的從FIFO中讀數據，不同的是模塊A寫數據的時鐘頻率要大于模塊B讀數據的時鐘頻率，那么在一段時間內總是有一些數據沒來得及被讀走，如果系統一直在工作，那么那些沒有被讀走的數據會越累積越多，那么FIFO的深度需要是無窮大的，因此只有在突發數據傳輸過程中討論FIFO深度才是有意義的。也就是說我們一次傳遞一包數據完成后再去傳遞下一包數據，我們把一段時間內傳遞的數據個數稱為burst length。在維基百科中，burst transmission是這樣解釋的：In telecommunication, a burst transmission or data burst is the broadcast of a relatively high-bandwidth transmission over a short period。我們知道burst length過后，通過上述討論我們大概就知道FIFO的最小深度與burst rate, burst size, read and write frequency等因素有關。要確定FIFO的深度，關鍵在于計算出在突發讀寫這段時間內有多少個數據沒有被讀走。也就是說FIFO的最小深度就等于沒有被讀走的數據個數。其實在一些ASIC論壇中，很多前輩就給出過FIFO深度計算公式，但是當時看到公式時不是太理解它是怎么來的，為了讓大家更好的理解FIFO size的計算過程，這里在不套用計算公式的前提下來逐步計算不同場景FIFO深度，當然在本文的最后會給出FIFO深度的計算公式，只想套用公式的同志可以直接移步到本文末尾。在討論之前我們假定模塊A向FIFO寫數據的時鐘頻率為fa，模塊B從FIFO讀數據的時鐘頻率為fb。
場景1：fa>fb with no idle cycles in both write and read
假設：
那么：
場景2：fa>fb with two clock cycle delay between two successive read and write
場景2在場景1的基礎上增加了一個假設，即讀比寫慢兩拍。這種假設是真正存在的，在異步FIFO設計中，我們需要去判斷FIFO的空滿來保證邏輯的正確性，判斷空滿標志需要去比較讀寫指針，而讀指針與寫指針處在不同的時鐘域中，我們需要采用格雷碼和兩級同步寄存器去降低亞穩態的概率，而兩級同步必然會導致空滿標志位的判斷至少延遲2個cycle。對于空標志位來說，將寫指針同步到讀時鐘域至少需要花費2個時鐘，而在同步這段時間內有可能還會寫入新的數據，因此同步后的寫指針一定小于或等于（當且僅有同步時間內沒有新數據寫入的情況下才會等于）當前的寫指針，所以此時判斷不一定是真空；同理，對于滿標志位來說，將讀指針同步到讀時鐘域至少需要花費2個時鐘，而在同步這段時間內有可能還會讀出新的數據，因此同步后的讀指針一定小于或等于當前讀指針，所以此時判斷并不一定是真滿。通過上述討論可以知道場景2的FIFO最小深度應該比場景1的FIFO最小深度45略大。場景3：fa > fb with idle cycles in both write and read
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=80MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120?每隔1個cycle寫一次?每隔3個cycle讀一次
- 每隔1個cycle寫一次，意味著2個cycle才寫一個數據?每隔3個cycle讀一次，意味著4個cycle才讀一個數據?寫一個數據所需要的時間 = 2*1/80MHz = 25ns?突發傳輸中，寫完所有數據所需要的時間 = 120*25ns = 3000ns?讀一個數據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns?所以寫完所有的突發傳輸數據需要花費3000ns?在3000ns內能夠讀走的數據個數 = 3000ns/80ns = 37.5?所以在3000ns內還沒有被讀走的數據個數 = 120-37.5 = 82.5?因此FIFO的最小深度為83
場景4：fa > fb with duty cycles given for wr_enb and rd_enb.
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=80MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120?寫使能信號占整個burst時間比重為1/2?讀使能信號占整個burst時間比重為1/4
那么：
場景5：fa < fb with no idle cycles in both write and read
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=40MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120?在突發傳輸過程中，數據都是連續讀寫的
那么：
- 由于讀數據比寫數據要快，因此FIFO只起到過時鐘域的作用，FIFO的最小深度為1即可
場景6：fa < fb with idle cycles in both write and read
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=40MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120?每隔1個cycle寫一次?每隔3個cycle讀一次
那么：
- 每隔1個cycle寫一次，意味著2個cycle才寫一個數據?每隔3個cycle讀一次，意味著4個cycle才讀一個數據?寫一個數據所需要的時間 = 2*1/40MHz = 50ns?突發傳輸中，寫完所有數據所需要的時間 = 120*50ns = 6000ns?讀一個數據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns?所以寫完所有的突發傳輸數據需要花費6000ns?在6000ns內能夠讀走的數據個數 = 6000ns/80ns = 75?所以在6000ns內還沒有被讀走的數據個數 = 120-75 = 45?因此FIFO的最小深度為45
場景7：fa = fb with no idle cycles in both write and read
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=50MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120
那么：
- 如果讀寫時鐘同源并且無相位差，那么可以不需要FIFO；否則FIFO的最小深度為1
場景8：fa = fb with idle cycles in both write and read
假設：
- 寫數據時鐘頻率fa=50MHz?讀數據時鐘頻率fb=50MHz?突發長度= number of data to be transferred = 120?每隔1個cycle寫一次?每隔3個cycle讀一次
那么：
- 每隔1個cycle寫一次，意味著2個cycle才寫一個數據?每隔3個cycle讀一次，意味著4個cycle才讀一個數據?寫一個數據所需要的時間 = 2*1/50MHz = 40ns?突發傳輸中，寫完所有數據所需要的時間 = 120*40ns = 4800ns?讀一個數據所需要的時間 = 4*1/50MHz = 80ns?所以寫完所有的突發傳輸數據需要花費4800ns?在4800ns內能夠讀走的數據個數 = 4800ns/80ns = 60?所以在4800ns內還沒有被讀走的數據個數 = 120-60 = 60?因此FIFO的最小深度為60
場景9：Data rates are given，read and write random(important!!!)
在前面幾種場景中，我們給的條件都是每隔幾個時鐘讀寫一次，這種周期性讀寫在實際中很常見。但是在工程設計中還存在這樣一種情形，只給出數據在一段時間內的讀寫速率，怎么讀寫完全隨機，這種情況我們需要考慮最壞的一種情況避免數據丟失。在最壞的情形中，讀寫的速率應該相差最大，也就是說需要找出最大的寫速率和最小的讀速率。
?注意：這里需要驗證一下是否有解，即寫入burst數據時間必須大于等于讀出burst數據時間，不然數據就會越累積越多，使得FIFO的深度必須為無窮大。首先寫入80個數據需要的時間 = 1/80MHz*(80*100/40)=2500ns，讀出80個數據需要的時間 = 1/50MHz*(80*10/8)=2000ns，由于寫入burst數據時間大于對出burst數據時間，因此有解。?下面來計算FIFO最小深度，連續寫入80個數據最快所需要時間 = 1/80MHz * 80 = 1000ns?從FIFO中讀出一個數據至少所需時間 = (1/50MHz) * (10/8) = 25ns?那么在1000ns內能夠讀出的數據 = 1000ns/25ns = 40?在1000ns內沒有讀出的數據 = 80 - 40 = 40?因此FIFO的最小深度為40
總結
從上面分析來看，求FIFO的最小深度主要有以下要點：
作者：星雨夜澈
出處：http://www.cnblogs.com/dxs959229640/
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