你真的理解异步FIFO读写中的空满现象吗？

一、前言

我们的都知道FIFO中有两个特别重要的信号，那就是空满信号。在异步FIFO中，空满信号的判断要比同步FIFO稍微复杂一些，因为它的地址使用的是格雷码。具体如何判断空满可以参考之前的一篇文章：手写异步FIFO。

看完之后可能你会觉得也没那么复杂，其实如果只是单纯的写一个异步FIFO，那么会按照文章中介绍的方法进行判断就够了。但是这里面还有一些问题需要注意：那就是假空和假满现象，以及为什么要在写时钟域进行判满操作，在读时钟域进行判空操作。

二、假空假满现象

无论是wclk和rclk谁快谁慢，都可能产生假空假满现象，但是情况稍有不同，因此下面我们分两种情况进行讨论。需要注意的是，之所以会产生假空假满现象，主要是因为wptr和rptr的同步问题导致的。因为无论是将wptr同步到rclk时钟域还是将rptr同步到wclk时钟域都有一定的延迟。

1、假设wclk比rclk快

• 假满现象：当wclk比较快时，rptr很快就能同步到wclk时钟域，在同步过程中认为不会再有读数据的操作。但是如果同步的这个rptr刚好是FIFO满之后变化的新值，也即FIFO满后又有了读数据操作，此时FIFO已经不满了；那么由于在rptr同步过来之前的这段时间，wclk时钟域的rptr的值仍然是上一次同步过来的，也就是符合满条件的值，此时就会出现假满现象！

• 假空现象：当rclk比较慢时，在wptr同步到rclk时钟域之前，可能又会有写数据的操作。如果同步的这个wptr刚好符合空条件，那么在wptr同步过来之后就会判断为空。在将wptr同步过来之前的这段时间里，由于又有了写操作，wptr其实已经变化了，此时FIFO是不空的，此时就出现了假空现象！

2、假设wclk比rclk慢

• 假满现象：当wclk比较慢时，在rptr同步到wclk时钟域之前，可能又会有读数据的操作。如果同步的这个rptr刚好符合FIFO满条件，那么在rptr同步过来之后就会判断为满。在将rptr同步过来之前的这段时间里，由于又有了读操作，rptr其实已经变化了，此时FIFO是不满的，此时就出现了假满现象！

• 假空现象：当rclk比较快时，wptr很快就能同步到rclk时钟域，在同步过程中认为不会再有写数据的操作。但是如果同步的这个wptr刚好是FIFO空之后变化的新值，也即FIFO空后又有了写数据操作，此时FIFO已经不空了；那么由于在wptr同步过来之前的这段时间，rclk时钟域的wptr的值仍然是上一次同步过来的，也就是符合空条件的值，此时就会出现假空现象！

其实假空假满都不影响FIFO正常工作，最多只是影响其性能。因为假满就是提前告诉了写数据端不要再写数据了，由于这段时间不能写数据，所以wptr不变，当过一会rptr同步过来时，再由wptr和rptr判断的结果就是FIFO不满了，就又可以写数据了。而假空也只是告诉读数据端不要再读数据了，由于这段时间不能读数据，所以rptr不变，当过一会wptr同步过来时，再由wptr和rptr判断的结果就是FIFO不空了，就又可以读数据了。

有可能你会有疑问，这不是好多情况都没有讨论到吗？但其实你把其他情况都考虑进去你会发现，都是一些正常状态，并且最后都会到达假空或者假满状态。

三、为什么在wclk时钟域判断是否满，而在rclk时钟域判断是否空？

对于这个问题，我们可以按以下的思路去考虑：

1、如果在wclk时钟域判空：

• 当wclk比较快时，rptr很快就能同步到wclk时钟域，在同步过程中认为不会再有读数据的操作。但是由于rptr同步过来仍然是需要时间的，如果被同步的rptr刚好是一个符合空条件的值，那么在同步过来之前这段时间内，rptr仍然是上一个符合非空条件的值。也就是说此时FIFO实际上已经空了，但是还是会报非空，这就会影响FIFO的正常工作了！

• 当wclk比较慢时，在rptr同步到wclk时钟域之前，可能又会有读数据的操作。如果同步的这个rptr不符合FIFO空条件，那么在rptr同步过来之后就会判断为非空。然而在将rptr同步过来之前的这段时间里，由于又有了读操作，rptr其实已经变化了，此时FIFO有可能是空的。也就是说此时FIFO实际上已经空了，但是还是会报非空，这就会影响FIFO的正常工作了。

2、如果在rclk时钟域判满：

• 当rclk比较快时，wptr很快就能同步到rclk时钟域，在同步过程中认为不会再有写数据的操作。但是由于wptr同步过来仍然是需要时间的，如果被同步的rptr刚好是一个符合满条件的值，那么在同步过来之前这段时间内，wptr仍然是上一个符合非满条件的值。也就是说此时FIFO实际上已经满了，但是还是会报非满，这就会影响FIFO的正常工作了！

• 当rclk比较慢时，在wptr同步到rclk时钟域之前，可能又会有写数据的操作。如果同步的这个wptr不符合FIFO满条件，那么在wptr同步过来之后就会判断为非满。然而在将wptr同步过来之前的这段时间里，由于又有了写操作，wptr其实已经变化了，此时FIFO有可能是满的。也就是说此时FIFO实际上已经满了，但是还是会报非满，这就会影响FIFO的正常工作了。

可以看到，当在wclk时钟域判空或者在rclk时钟域判满时，会出现以上几种影响FIFO正常工作的情况，所以我们是在wclk时钟域判断是否满，而在rclk时钟域判断是否空。

四、假设wclk速度比rclk快，那么当raddr+1，再同步到wclk后，如果这期间有了push操作，那会不会使得wptr超过了rptr，造成FIFO overflow呢？

在raddr + 1传到wclk时钟域之前，wclk端看到的值还是raddr，它有以下可能情况：

• wptr还没有赶上rptr，此时FIFO是非满的，那么如果有push操作是可以正常进行的，并且wptr会加1，等raddr+1同步过来后，仍然是非满状态！
• wptr已经赶上了rptr，那么此时full应该是拉高的，就不会允许push操作，所以wptr也不会加1！等raddr+1同步过来后，wptr又落后于rptr了，此时就会是非满状态！题目中说由于wclk速度快，在同步raddr+1期间又有了push操作，所以wptr与raddr+1对应的rptr对比得出的空满状态才是真的状态，因此在同步过来之前的这段时间里的满状态其实是假满！但是最多只是可以push但没有允许push，也即提前告诉了push端不要写数据了，其实并没有影响FIFO的正常工作！

通过上述两种情况就可以看出，wptr是不会超过rptr的。