關於非同步fifo的快轉慢的問題

最近一位童鞋跟我聊到一個非同步fifo的問題，還是很有水準的。我貼在這裡給大家看一下：非同步fifo需要將讀寫的pointer作比較產生滿和空信號，但是假如fifo的兩個時鐘域的clk相差特別大，pointer在做跨時鐘域轉換的時候就會出現問題。什麼問題呢？慢時鐘采快時鐘會漏采數據。

舉個栗子：非同步fifo，寫時鐘500M，讀時鐘100M，相差5倍。那麼寫時鐘域的write_pointer就會以500M的頻率增加，但是讀時鐘的read_pointer增加的頻率是100M。現在要判斷滿和空，滿是在寫時鐘域判斷的，空是在讀時鐘域判斷的。下圖所示：

判斷滿的方法是拿write_pointer和做完CDC轉換過來的read_pointer作比較。CDC轉換的方法是採用格雷碼過兩級flip-flop的同步器。由於read_pointer屬於100M的頻率，write時鐘域有500M，屬於快采慢，CDC轉換不會有什麼問題。因此滿的判斷不會有問題。

判斷空的方法是拿read_pointer和做完CDC轉換過來的write_pointer做比較。CDC轉換的方法也是採用格雷碼過兩級flip-flop的同步器。由於write_pointer的變化頻率是500M，而read時鐘域只有100M的clk，屬於慢采快，CDC的轉換就會出問題。

出什麼問題？

因為read時鐘的頻率過低，所以write_pointer做完CDC之後得到的將是零星的離散的採樣值，而非連續的值，比如說可能會採樣到格雷碼的5->10->15，而非連續的格雷碼的5->6->7->8............

那麼該怎麼解決這個問題？

這個問題其實沒法解決，也不需要解決。

為什麼沒法解決？

因為快時鐘往慢時鐘傳數據，要想一個不漏，唯一的辦法就是hold住（通常來講，至少hold住目標時鐘域2T）。把當前數據牢牢keep住，等到數據被取走了再傳下一個。但是很明顯write_pointer屬於自增型的，只要fifo沒有滿，它都可以持續增加，並不會hold不變，所以必然會漏采。

為什麼不需要解決？

因為只要fifo夠大，即便讀到的write_pointer是離散的，也不會影響到fifo判空。只要fifo判空不出錯，非同步fifo的行為就沒有問題，只不過效率可能略微降低。

舉個栗子：

當read時鐘域採樣到write_pointer的值是5的時候，真正的write_pointer的值可能是多少？可能已經是5，6，7，8，9等等了。但絕對不可能比5小。

為什麼不可能比5小？

因為對於write_pointer而言，它從4變到5，這個沿變在跨CDC的時候，只有沒采著和采著兩種可能，沒采著的話，跨完時鐘域得到4，采著了就得到5。絕對不可能得到比5大的值。

也就是說，只要是格雷碼跨CDC，跨過去的值只可能比真實值相等或者小，不可能比真實值大！

所以如果在read時鐘域已經看到write_pointer等於5了，那麼真實的write_pointer必然不小於5。那麼基於write_pointer等於5來判斷空，將會得到一個很保守的空（也可以叫假空）！也就是說非同步fifo明明還有數，讀時鐘域就判斷出空，暫時停止讀取數據。

但是這並不會導致出錯，因為這種保守的空判斷，只是降低了讀的效率，並沒有導致讀出錯誤的數據或者不存在的數據。

所以，即便採樣到的write_pointer是個離散值，但是由於非同步fifo並不會有實際的行為出錯，所以也不需要解決這個問題。

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