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FIFO深度计算问题

2023-05-16

FIFO深度计算公式：
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk

burst_length ：突发数据个数
X,Y：读时钟周期里，每Y个时钟周期会有X个数据读出FIFO
r_clk：读时钟
w_clk：写时钟

1，同步FIFO

对于同步fifo，每100个cycle可以写入80个数据，每10个cycle可以读出8个数据，fifo的深度至少为？
答：
每100个cycle可以写入80个数据，我们考虑最坏的情况，背靠背模式，空20个时钟，剩下80个时钟写80个数据，再用80个时钟写80个数据，空20个时钟，这样的结果就是连着写了160个数据，共用了200个时钟，突发数据个数是160
所以
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
同步FIFO，读写时钟相同，r_clk=w_clk;
fifo_depth = 160 - 160 *（8/10） * 1 = 160-128=32

2，异步FIFO

wclk＝200mhz，100个wclk里写入40个数据，rclk＝100mhz，10个rclk里读出8个数据。那么fifo深度为？
答：我们考虑最坏的情况，背靠背模式，即空60个wclk，剩下40个wclk写入有40个数据，接着40个wclk写40个数据，空60个wclk，那么突发数据个数为40+40=80
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 80 - 80 *（8/10） * 100/200 = 80-32=48

FIFO的深度一般是2的整数次幂，要符合格雷码的编码转换规则，因此我们深度一般不选择48，而是选择比它大的2的整数次幂的数，比如64或者128

在这里插入图片描述
答：可以看出，B的时钟要大于A的时钟，如果B为读时钟，那么A为写时钟，那就是读时钟大于写时钟，读的比写的快，那么不会溢出了，所以B应该是写时钟，A为读时钟
假设读clkA=100MHZ,写clkB=400MHZ, 则周期Ta=10ns ，Tb=2.5ns ，则 enB=10100=1000ns，enB的占空比为25%，即周期的25%为高电平，即为写数据的时钟时长，T_enB=100025%=250ns，T_enB/Tb=250/2.5 = 100个数据，同时在这250ns时间里面，读书数据的个数为250/Ta=250/10=25，
所以FIFO深度为100-25=75

下面举几个例子：

第一种情况：

写时钟快于读时钟，写和读的过程中没有空闲周期，也即在突发（burst）过程中，读和写都在各自的时钟域内连续进行。
在这里插入图片描述

答：
第一种方法：采取公式计算
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 120 - 120 * 1 * 50/80 = 120 - 75 = 45
第二种方法：分析
写时钟周期Tw = 1000/80 = 12.5ns
读时钟周期Tr = 1000/50 = 20ns
突发长度是120，写120个数据，需要的写时间为120*12.5 = 1500ns
在1500ns的时间，读了数据个数为1500/20 = 75
所以120-75 = 45

第二种情况

写时钟频率大于读时钟频率，但在读写的过程中存在空闲周期。
在这里插入图片描述
答：
两个写数据之间空一个时钟，即2个时钟写1个数据
两个读数据之间空3个时钟，即4个时钟读1个数据
第一种方法：采取公式计算
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 120 - 120 * 1/4 * 50/80 = 120 - 18.75 =
第二种方法：分析
写时钟周期Tw = 1000/80 = 12.5ns
读时钟周期Tr = 1000/50 = 20ns
突发长度是120，写120个数据，需要240个时钟，需要的写时间为24012.5 = 3000ns
在3000ns的时间，读了数据个数为3000/（204） = 37.5
最后0.5是不完整数据，取整为37，
所以120-37 = 83

第三种情况

写时钟慢于读时钟，且读写过程中没有空闲周期；
在这里插入图片描述

答: 读写没有空闲，而且写时钟慢于读时钟，所以应该是永远不会写满，即不会溢出，fifo的深度为1即可

第四种情况

写时钟频率小于读时钟频率，但读写过程中存在空闲周期；
在这里插入图片描述
答：
两个写数据之间空一个时钟，即2个时钟写1个数据
两个读数据之间空3个时钟，即4个时钟读1个数据
第一种方法：采取公式计算
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 120 - 120 * 1/4 * 50/30 = 120 - 50 = 70
第二种方法：分析
写时钟周期Tw = 1000/30
读时钟周期Tr = 1000/50 = 20ns
突发长度是120，写120个数据，需要240个时钟，需要的写时间为2401000/30= 8000ns
在8000ns的时间，读了数据个数为8000/（204） = 100
所以120-100 = 20

第五种情况

读写时钟速率相同，且无空闲时钟。
在这里插入图片描述
答：
第一种方法：采取公式计算
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 120 - 120 * 1/* 1 = 0
如果读写时钟之间没有相位差，则不需要FIFO就可以进行读写呀；
如果二者存在相位差，只需要FIFO的深度为1即可。

第六种情况

读写时钟频率一致，但在读写过程中存在空闲周期。
在这里插入图片描述
答：
两个写数据之间空一个时钟，即2个时钟写1个数据
两个读数据之间空3个时钟，即4个时钟读1个数据
第一种方法：采取公式计算
fifo_depth = burst_length - burst_length * X/Y * r_clk/w_clk
fifo_depth = 120 - 120 * 1/4 * 50/50 = 120 - 30 = 90
第二种方法：分析
写时钟周期Tw = 1000/50=20ns
读时钟周期Tr = 1000/50 = 20ns
突发长度是120，写120个数据，需要240个时钟，需要的写时间为24020= 4800ns
在4800ns的时间，读了数据个数为4800/（204） =60
所以120-60 = 60

第七种情况

特定条件下，最坏情况分析FIFO最小深度；
在这里插入图片描述
答：
100个时钟周期写80个数据，考虑最坏的情况，即背靠背的方式，空闲20个时钟，剩余80个时钟写80个数据，接着80个时钟写80个数据，空20个时钟，最后的结果就是用160个时钟要写160个数据，即突发长度是160，
每10个时钟读8个数据，160个时钟读了128个数据，
FIFO的深度=160-128 = 32

参考文献1
https://blog.csdn.net/Reborn_Lee/article/details/100127937
参考文献2
https://hardwaregeeksblog.files.wordpress.com/2016/12/fifodepthcalculationmadeeasy2.pdf

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