异步FIFO最小深度计算方法及原理分析

http://blog.csdn.net/u011412586/article/details/10241585

计算FIFO深度是设计FIFO中常遇到的问题。常识告诉我们，当读速率慢于写速率时，FIFO便可被用作系统中的缓冲元件或队列。因此FIFO的大小基本上暗示了所需缓存数据的容量，该容量取决于读写数据的速率。据统计，系统的数据速率取决于系统的负载能力。因此为了保证FIFO的大小，我们需要考虑FIFO传输的最坏情况下。所谓最坏的情况就是使得写速率最大，读速率最小；通常是考虑突发传输。

一、异步FIFO最小深度计算原理

如果数据流连续不断则FIFO深度无论多少，只要读写时钟不同源同频则都会丢数；
FIFO用于缓冲块数据流，一般用在写快读慢时，遵循的规则如下：

{FIFO深度 /（写入速率 - 读出速率）} = {FIFO被填满时间} > {数据包传送时间}= {写入数据量 / 写入速率}

即：确保对FIFO写数据时不存在overflow,从FIFO读出数据时不存在underflow.

例：A/D采样率50MHz，dsp读A/D读的速率40MHz，要不丢失地将10万个采样数据送入DSP，在A/D在和DSP之间至少加多大容量（深度）的FIFO才行？
100,000 / 50MHz = 1/500 s = 2ms
(50MHz - 40MHz)　* 1/500 = 20k既是FIFO深度。

一种错误的算法（我也犯了同样的错误）:
100,000 / 40MHZ= 1/400s = 2.50ms
(50M - 400M)*1/400 =25K.那么这样进去的数据就不是100K了，而是100K+50M*（0.0025-0.002）=125，000bit，错误在时间的计算。

二、异步FIFO最小深度常用计算公式（假如读写FIFO是同时进行的）

写时钟频率w_clk,
读时钟频率 r_clk,
写时钟周期里，每B个时钟周期会有A个数据写入FIFO
读时钟周期里，每Y个时钟周期会有X个数据读出FIFO
则，FIFO的最小深度是？

计算公式如下：

fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk

此公式可有原理推导而来。

例举说明：

如果100个写时钟周期可以写入80个数据，10个读时钟可以读出8个数据。令wclk＝rclk ，考虑背靠背（20个clk不发数据＋80clk发数据＋80clk发数据＋20个clk不发数据的200个clk）代入公式可计算FIFO的深度
fifo_depth = 160-160X（80%）=160-128=32

如果令wclk＝200mhz，改为100个wclk里写入40个，rclk＝100mhz，10个rclk里读出8个。那么fifo深度为48
计算如下fifo_depth =80-80X（80%）X(100/200)=80-32=48

注：将 fifo_depth = burst_length - burst_length * (X/Y) * (r_clk/w_clk) 作个变形，得到 fifo_depth = burst_length -[（burst_length *（1/w_clk））]/[（Y*（1/r_clk））/X] 其中[（burst_length *（1/w_clk））] 表示这个burst的持续时间，[（Y*（1/r_clk））/X] 表示读出每个数据所需的时间（即：读的实际速度）。两者相除自然就是这段时间读出的数据量。显然burst_length表示这段时间写入的数据量，两者的差为fifo中残留的数据，这个也就是理论上的fifo的最小深度。实际应用中往往是以半空半满信号来指示fifo的空满状态的，所以实际设计fifo的时候会至少留下一个数据空间的深度裕量。

三、读写FIFO不是同时进行的情况下，异步FIFO最小深度计算

假如读写FIFO不是同时进行的，这就需要设置FIFO深度为写数据最大突发个数。

四、异步FIFO最小深度计算实例（1）

对于设置一个fifo深度，这个需要参考具体应用情况。

1、SDRAM应用

如：在SDRAM应用中，对应设置一个fifo，一般设置深度为操作数据的两倍就够了，如SDRAM全页读写为256，对应设置深度为512。因为SDRAM读写速度肯定是快于FIFO写的速度，和后面那个FIFO读的速度。因此，只要SDRAM前后操作总体速率一致。就没什么问题。

2、两异步时钟数据接口

如：两个异步时钟域数据接口，假如读写是同时进行的，一般这时设置FIFO情况就是写时钟大于读时钟。这个时候设置FIFO的深度就要对应两个时钟以及对应写最大的突发数据。假设写时钟频率是40MHz，读时钟为25Mhz，在写端最大突发写数据个数为100个数据。对应设置深度计算：100(1-25/40)=37.5，对应深度设置至少为38。（用第二点所述公式计算）
假如读写不是同时的，这就需要设置深度为写数据最大突发个数，如上例中，对应最大突发个数为100个，则深度设置为100。

五、异步FIFO最小深度计算实例（2）

1、一个8bit宽的AFIFO，输入时钟为100MHz，输出时钟为95MHz，设一个package为4Kbit，且两个package之间的发送间距足够大。求AFIFO的深度？

公式：fifo_depth = burst_length - burst_length * (X/Y) * (r_clk/w_clk)

burst_length = 4Kbit/8bit ，有两种结果，其一，根据存储厂商的惯用算法，4Kbit=4000bit，burst_length=500；其二，用一般二进制算法，4Kbit=4*1024=4096bit，burst_length=512。

因为X和Y的值没有给出，所以默认为1.

可得：其一，fifo_depth = 500 - 500*（95/100）= 25 ，所以fifo_depth最小取值是25 。

其二，fifo_depth = 512 - 512*（95/100）= 25.6 ，所以fifo_depth最小取值是26 。

声明：本博文为对以下参考资料的个人总结和理解，属于个人学习笔记，欢迎讨论！

参考：

[1] http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a89f7010100mnua.html

[2] http://www.cnblogs.com/zhangzhi/archive/2009/11/04/1595808.html

[3] http://www.cnblogs.com/yuphone/archive/2011/06/21/2085840.html