异步fifo设计及时序约束设置

一、前言
跨时钟域的同步处理，使用异步FIFO是常用的方式之一，对于异步FIFO的设计，网上的大部分资料来源于《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》一文
其异步FIFO的结构如下图所示
本文不是介绍上图描述的设计。

我从基本的数字电路时序开始，介绍异步FIFO的相关问题。

最后介绍如何用时序约束保证设计的正确性
二、数字电路时序
对于数字电路来讲，我们的信号在时钟边沿发生变化，Dat1信号是一种理想情况，而Dat2是实际情况，其特点是
一、相对时钟边沿有延时
二、信号变化有一段时间(电平转换时间)，在这段时间就是亚稳态
在亚稳态期间进行数据采样，不能获得稳定的值。

数字电路中经过时序约束，在T1产生的信号，在T2一定稳定(否则就是不满足时序)，所以对于只有一个时钟的数字电路来说，它在T1和T2都能获得稳定的信号(T1时刻的值为0、T2时刻的值为1)
三、跨时钟域时序问题
对于异步时钟而言(相位不同)，对于CLK1产生的信号，CLK2有可能在任意时刻进行数据采样
在FIFO的设计中，将会产生2种信号，一种是数据本身(用Data表示)，另外一种是指示数据是否有效(用valid表示)，注意(valid不一定是一个比特的寄存器，可以是由FIFO中的读写指针产生而来，例如fifo的full或empty状态)
异步FIFO的问题在于，如果CLK2在时钟T2进行采样，那么有可能得到valid有效，而数据无效的情况。

这样在CLK2采样取得的设计就是错误的数据。

四、处理异步FIFO的valid和data（理论基础）
我们假设valid为低电平表示没有数据，高电平为有数据，解决的办法就是，当CLK对valid进行采样时，即使valid处于亚稳态期间，数据信号也是稳定的
如上图所以，在T1时刻进行上升沿采样，虽然valid是一个亚稳态状态，但是此时Data 是一个稳定的值，如果在T1时刻采样的valid为1，那么可以得到稳定的Data信号，如果在T1时刻采样的valid为0，那么控制逻辑认为在T1无法获得数据，从而在下一个时钟获取
注意：T2时刻是在下降沿进行采样，而此时的Data信号也是稳定的
五、如何实现
为了让valid和Data处于上面的状态，我们可以对valid进行延时处理，即使用时钟对其进行采样，必须使用2个寄存器依次采样，才能保证至少有一个时钟的延时
valid1是CLK2对valid进行采样产生的，如果采样的时机不好，那么valid1相对valid只有一点点延时，valid2是CLK2对valid1的采样，这样valid2相对于valid至少有CLK2一个周期的延时，也就满足了第二节的条件。

所以在《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》的设计中，将写时钟域写指针使用2级寄存器同步到读时钟域，然后使用该同步后的写指针和读时钟域读指针产生valid状态，(备注：写时钟域写指针发生改变就和上图中valid发生变化是一个道理，代表数据写入，使用读时钟域同步后想当于产生valid2信号，相信不难理解），写指针是多比特数据，无法在亚稳态获取数据，必须使用一次只有一个比特变化的格雷码，然后再使用格雷码产生valid状态(即FIFO中的full或者empty)，
同样的道理，将读时钟域的读指针使用2级寄存器同步写时钟域。

其目的是判断数据是否已经被读取。

这就是《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》中的理论支持，其它的逻辑就是格雷码的设计、FIFO的状态产生等逻辑，本文不再进行详细说明。

六、问题产生
《Simulation and Synthesis Techniques for Asynchronous FIFO Design》的设计中是否能绝对保证异步FIFO的正确性？
如上图所示，在T1时刻CLK1产生了valid和Data信号，它是满足时序要求的，在T2时刻是稳定的，只是valid比Data先稳定。

我们对valid进行采样延时，产生的valid1是可以出现上面的状态，但此时valid1和Data都是亚稳态，不满足关系
需要说明的是
1、上述出现的概率较小，取决数字后端布局
2、如果进行采样的同步时钟比CLK1慢(即写时钟快于读时钟)，不会出现问题
3、后端布局后，还可以进行多时钟时序仿真，也可以发现问题
七、改进设计
在异步FIFO设计中，我们必须要保证valid和data的相对关系。

我们可以通过下面的逻辑设计再加上时序约束来保证这一点。

一、逻辑设计
控制逻辑，在T1时刻准备好数据，在T2时刻产生valid
二、时序约束
将读写2个时钟设置为同一个时钟，频率设置使用最高频率的那个时钟。

（可以单独将这个FIFO做块，或者和高频率的那个模块一起做块）
经过上面的逻辑设计和时序约束，对于要采样valid和data的异步时钟而言：
1、由于是采用最高频率的时钟进行约束，即使采样时钟频率低，也能满足时序要求
2、通过逻辑设计和时序约束，对于采样时钟而言，valid和Data也一定是满足相对关系
八、参考代码
module Mfifo(
input rst_n,
input wr_clk,
input wr_req,
input[7:0]wr_data,
output wr_ready,
input rd_clk,
input rd_req,
output[7:0]rd_data,
output rd_ready
);
reg[7:0]fifo_r[3:0];
reg[1:0]wp_r;
reg wp_valid_r;
reg[3:0]wp_flag_r;
reg[1:0]rp_r;
reg rp_valid_r;
reg[3:0]rp_flag_r;
//=================================================================== //WR CLK
//=================================================================== always@(posedge wr_clk)begin
if(~rst_n)
wp_r<=2'b00;
else if(wr_req&wr_ready)
wp_r<=wp_r+2'b01;
end
always@(posedge wr_clk)begin
if(wr_req&wr_ready)
fifo_r[wp_r]<=wr_data;
end
always@(posedge wr_clk)begin
if(~rst_n)
wp_valid_r<=1'b0;
else if(wr_req&wr_ready)
wp_valid_r<=1'b1;
else if(wp_valid_r)
wp_valid_r<=1'b0;
end
always@(posedge wr_clk)begin
if(~rst_n)
wp_flag_r<=4'b0000;
else if(wp_valid_r)
wp_flag_r[wp_r-2'b01]<=~wp_flag_r[wp_r-2'b01];
end
//=================================================================== //RD CLK
//=================================================================== always@(posedge rd_clk)begin
if(~rst_n)
rp_r<=2'b00;
else if(rd_req&rd_ready)
rp_r<=rp_r+2'b01;
end
always@(posedge rd_clk)begin
if(~rst_n)
rp_valid_r<=1'b0;
else if(rd_req&rd_ready)
rp_valid_r<=1'b1;
else if(rp_valid_r)
rp_valid_r<=1'b0;
end
always@(posedge rd_clk)begin
if(~rst_n)
rp_flag_r<=4'b0000;
else if(rp_valid_r)
rp_flag_r[rp_r-2'b01]<=~rp_flag_r[rp_r-2'b01];
end
//=================================================================== //FIFO STATE
//=================================================================== assign wr_ready=wp_flag_r[wp_r]==rp_flag_r[wp_r];
assign rd_ready=wp_flag_r[rp_r]!=rp_flag_r[rp_r];
assign rd_data=fifo_r[rp_r];
endmodule
九、其它补充
1、异步fifo的主要目的是跨时钟同步，不应该有复杂的控制逻辑和fifo深度，（复杂的控制逻辑可以放在其它地方实现，如果实在需要深度较大fifo来缓冲数据，可以用同步fifo接在异步fifo的输入或输出端，以此达到目的）
2、不管异步FIFO如何设计，一定要做时序仿真(下图是在fpga上的布局后的时序仿真)。