深入理解FIFO（包含有FIFO深度的解釋）

FIFO：

一、先入先出隊(duì)列(FirstInputFirstOutput，F(xiàn)IFO)這是一種傳統(tǒng)的按序執(zhí)行方法，先進(jìn)入的指令先完成并引退，跟著才執(zhí)行第二條指令。

1.什么是FIFO?

FIFO是英文FirstInFirstOut的縮寫，是一種先進(jìn)先出的數(shù)據(jù)緩存器，他與普通存儲(chǔ)器的區(qū)別是沒有外部讀寫地址線，這樣使用起來非常簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)就是只能順序?qū)懭霐?shù)據(jù)，順序的讀出數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)地址由內(nèi)部讀寫指針自動(dòng)加1完成，不能像普通存儲(chǔ)器那樣可以由地址線決定讀取或?qū)懭肽硞€(gè)指定的地址。

2.什么情況下用FIFO?

FIFO一般用于不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，比如FIFO的一端時(shí)AD數(shù)據(jù)采集，另一端時(shí)計(jì)算機(jī)的PCI總線，假設(shè)其AD采集的速率為16位100KSPS，那么每秒的數(shù)據(jù)量為100K×16bit=1.6Mbps,而PCI總線的速度為33MHz，總線寬度32bit,其最大傳輸速率為1056Mbps,在兩個(gè)不同的時(shí)鐘域間就可以采用FIFO來作為數(shù)據(jù)緩沖。另外對(duì)于不同寬度的數(shù)據(jù)接口也可以用FIFO，例如單片機(jī)位8位數(shù)據(jù)輸出，而DSP可能是16位數(shù)據(jù)輸入，在單片機(jī)與DSP連接時(shí)就可以使用FIFO來達(dá)到數(shù)據(jù)匹配的目的。

3.FIFO的一些重要參數(shù)

FIFO的寬度：也就是英文資料里?？吹降腡HEWIDTH，它只的是FIFO一次讀寫操作的數(shù)據(jù)位，就像MCU有8位和16位，ARM32位等等，F(xiàn)IFO的寬度在單片成品IC中是固定的，也有可選擇的，如果用FPGA自己實(shí)現(xiàn)一個(gè)FIFO，其數(shù)據(jù)位，也就是寬度是可以自己定義的。

FIFO的深度：THEDEEPTH，它指的是FIFO可以存儲(chǔ)多少個(gè)N位的數(shù)據(jù)(如果寬度為N)。如一個(gè)8位的FIFO，若深度為8，它可以存儲(chǔ)8個(gè)8位的數(shù)據(jù)，深度為12，就可以存儲(chǔ)12個(gè)8位的數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO的深度可大可小，個(gè)人認(rèn)為FIFO深度的計(jì)算并無一個(gè)固定的公式。在FIFO實(shí)際工作中，其數(shù)據(jù)的滿/空標(biāo)志可以控制數(shù)據(jù)的繼續(xù)寫入或讀出。在一個(gè)具體的應(yīng)用中也不可能由一些參數(shù)算數(shù)精確的所需FIFO深度為多少，這在寫速度大于讀速度的理想狀態(tài)下是可行的，但在實(shí)際中用到的FIFO深度往往要大于計(jì)算值。一般來說根據(jù)電路的具體情況，在兼顧系統(tǒng)性能和FIFO成本的情況下估算一個(gè)大概的寬度和深度就可以了。而對(duì)于寫速度慢于讀速度的應(yīng)用，F(xiàn)IFO的深度要根據(jù)讀出的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和讀出數(shù)據(jù)的由那些具體的要求來確定。

滿標(biāo)志：FIFO已滿或?qū)⒁獫M時(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIFO的寫操作繼續(xù)向FIFO中寫數(shù)據(jù)而造成溢出(overflow)。

空標(biāo)志：FIFO已空或?qū)⒁諘r(shí)由FIFO的狀態(tài)電路送出的一個(gè)信號(hào)，以阻止FIFO的讀操作繼續(xù)從FIFO中讀出數(shù)據(jù)而造成無效數(shù)據(jù)的讀出(underflow)。

讀時(shí)鐘：讀操作所遵循的時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘沿來臨時(shí)讀數(shù)據(jù)。

寫時(shí)鐘：寫操作所遵循的時(shí)鐘，在每個(gè)時(shí)鐘沿來臨時(shí)寫數(shù)據(jù)。

讀指針：指向下一個(gè)讀出地址。讀完后自動(dòng)加1。

寫指針：指向下一個(gè)要寫入的地址的，寫完自動(dòng)加1。

讀寫指針其實(shí)就是讀寫的地址，只不過這個(gè)地址不能任意選擇，而是連續(xù)的。

4.FIFO的分類

根均FIFO工作的時(shí)鐘域，可以將FIFO分為同步FIFO和異步FIFO。同步FIFO是指讀時(shí)鐘和寫時(shí)鐘為同一個(gè)時(shí)鐘。在時(shí)鐘沿來臨時(shí)同時(shí)發(fā)生讀寫操作。異步FIFO是指讀寫時(shí)鐘不一致，讀寫時(shí)鐘是互相獨(dú)立的。

5.FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

FIFO設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于怎樣判斷FIFO的空/滿狀態(tài)。為了保證數(shù)據(jù)正確的寫入或讀出，而不發(fā)生益處或讀空的狀態(tài)出現(xiàn)，必須保證FIFO在滿的情況下，不能進(jìn)行寫操作。在空的狀態(tài)下不能進(jìn)行讀操作。怎樣判斷FIFO的滿/空就成了FIFO設(shè)計(jì)的核心問題。由于同步FIFO幾乎很少用到，這里只描述異步FIFO的空/滿標(biāo)志產(chǎn)生問題。

在用到觸發(fā)器的設(shè)計(jì)中，不可避免的會(huì)遇到亞穩(wěn)態(tài)的問題(關(guān)于亞穩(wěn)態(tài)這里不作介紹，可查看相關(guān)資料)。在涉及到觸發(fā)器的電路中，亞穩(wěn)態(tài)無法徹底消除，只能想辦法將其發(fā)生的概率將到最低。其中的一個(gè)方法就是使用格雷碼。格雷碼在相鄰的兩個(gè)碼元之間只由一位變換(二進(jìn)制碼在很多情況下是很多碼元在同時(shí)變化)。這就會(huì)避免計(jì)數(shù)器與時(shí)鐘同步的時(shí)候發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。但是格雷碼有個(gè)缺點(diǎn)就是只能定義2^n的深度，而不能像二進(jìn)制碼那樣隨意的定義FIFO的深度，因?yàn)楦窭状a必須循環(huán)一個(gè)2^n，否則就不能保證兩個(gè)相鄰碼元之間相差一位的條件，因此也就不是真正的各雷碼了。第二就是使用冗余的觸發(fā)器，假設(shè)一個(gè)觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率為P，那么兩個(gè)及聯(lián)的觸發(fā)器發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)的概率就為P的平方。但這回導(dǎo)致延時(shí)的增加。亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生會(huì)使得FIFO出現(xiàn)錯(cuò)誤，讀/寫時(shí)鐘采樣的地址指針會(huì)與真實(shí)的值之間不同，這就導(dǎo)致寫入或讀出的地址錯(cuò)誤。由于考慮延時(shí)的作用，空/滿標(biāo)志的產(chǎn)生并不一定出現(xiàn)在FIFO真的空/滿時(shí)才出現(xiàn)?？赡蹻IFO還未空/滿時(shí)就出現(xiàn)了空/滿標(biāo)志。這并沒有什么不好，只要保證FIFO不出現(xiàn)overfloworunderflow就OK了。

很多關(guān)于FIFO的文章其實(shí)討論的都是空/滿標(biāo)志的不同算法問題。

在VijayA.Nebhrajani的《異步FIFO結(jié)構(gòu)》一文中，作者提出了兩個(gè)關(guān)于FIFO空/滿標(biāo)志的算法。

第一個(gè)算法：構(gòu)造一個(gè)指針寬度為N+1，深度為2^N字節(jié)的FIFO(為便方比較將格雷碼指針轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制指針)。當(dāng)指針的二進(jìn)制碼中最高位不一致而其它N位都相等時(shí)，F(xiàn)IFO為滿(在CliffordE.Cummings的文章中以格雷碼表示是前兩位均不相同，而后兩位LSB相同為滿，這與換成二進(jìn)制表示的MSB不同其他相同為滿是一樣的)。當(dāng)指針完全相等時(shí)，F(xiàn)IFO為空。這也許不容易看出，舉個(gè)例子說明一下：一個(gè)深度為8字節(jié)的FIFO怎樣工作(使用已轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的指針)。FIFO_WIDTH=8，F(xiàn)IFO_DEPTH=2^N=8，N=3，指針寬度為N+1=4。起初rd_ptr_bin和wr_ptr_bin均為“0000”。此時(shí)FIFO中寫入8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。wr_ptr_bin=“1000”，rd_ptr_bin=“0000”。當(dāng)然，這就是滿條件?，F(xiàn)在，假設(shè)執(zhí)行了8次的讀操作，使得rd_ptr_bin=“1000”，這就是空條件。另外的8次寫操作將使wr_ptr_bin等于“0000”，但rd_ptr_bin仍然等于“1000”，因此FIFO為滿條件。

顯然起始指針無需為“0000”。假設(shè)它為“0100”，并且FIFO為空，那么8個(gè)字節(jié)會(huì)使wr_ptr_bin=“1100”，,rd_ptr_bin仍然為“0100”。這又說明FIFO為滿。

在VijayA.Nebhrajani的這篇《異步FIFO結(jié)構(gòu)》文章中說明了怎樣運(yùn)用格雷碼來設(shè)置空滿的條件，但沒有說清為什么深度為8的FIFO其讀寫指針要用3+1位的格雷碼來實(shí)現(xiàn)，而3+1位的格雷碼可以表示16位的深度，而真實(shí)的FIFO只有8位，這是怎么回事?而這個(gè)問題在CliffordE.Cummings的文章中得以解釋。三位格雷碼可表示8位的深度，若在加一位最為MSB，則這一位加其他三位組成的格雷碼并不代表新的地址，也就是說格雷碼的0100表示表示7，而1100仍然表示7，只不過格雷碼在經(jīng)過一個(gè)以0位MSB的循環(huán)后進(jìn)入一個(gè)以1為MSB的循環(huán)，然后又進(jìn)入一個(gè)以0位MSB的循環(huán)，其他的三位碼仍然是格雷碼，但這就帶來一個(gè)問題，在0100的循環(huán)完成后，進(jìn)入1000，他們之間有兩位發(fā)生了變換，而不是1位，所以增加一位MSB的做法使得該碼在兩處：0100~1000，1100~0000有兩位碼元發(fā)生變化，故該碼以不是真正的格雷碼。增加的MSB是為了實(shí)現(xiàn)空滿標(biāo)志的計(jì)算。VijayA.Nebhrajani的文章用格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制，再轉(zhuǎn)格雷碼的情況下提出空滿條件，僅過兩次轉(zhuǎn)換，而CliffordE.Cummings的文章中直接在格雷碼條件下得出空滿條件。其實(shí)二者是一樣的，只是實(shí)現(xiàn)方式不同罷了。

第二種算法：CliffordE.Cummings的文章中提到的STYLE#2。它將FIFO地址分成了4部分，每部分分別用高兩位的MSB00、01、11、10決定FIFO是否為goingfull或goingempty(即將滿或空)。如果寫指針的高兩位MSB小于讀指針的高兩位MSB則FIFO為“幾乎滿”，

若寫指針的高兩位MSB大于讀指針的高兩位MSB則FIFO為“幾乎空”。

在VijayA.Nebhrajani的《異步FIFO結(jié)構(gòu)》第三部分的文章中也提到了一種方法，那就是方向標(biāo)志與門限。設(shè)定了FIFO容量的75%作為上限，設(shè)定FIFO容量的25%為下限。當(dāng)方向標(biāo)志超過門限便輸出滿/空標(biāo)志，這與CliffordE.Cummings的文章中提到的STYLE#2可謂是異曲同工。他們都屬于保守的空滿判斷。其實(shí)這時(shí)輸出空滿標(biāo)志FIFO并不一定真的空/滿。

說到此，我們已經(jīng)清楚地看到，F(xiàn)IFO設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的就是產(chǎn)生空/滿標(biāo)志的算法的不同產(chǎn)生了不同的FIFO。但無論是精確的空滿還是保守的空滿都是為了保證FIFO工作的可靠。

二、先進(jìn)先出法(firstin,firstout，F(xiàn)IFO)

先進(jìn)先出法是指根據(jù)先入庫先發(fā)出的原則，對(duì)于發(fā)出的存貨以先入庫存貨的單價(jià)計(jì)算發(fā)出存貨成本的方法.采用這種方法的具體做法是：先按存貨的期初余額的單價(jià)計(jì)算發(fā)出的存貨的成本，領(lǐng)發(fā)完畢后，再按第一批入庫的存貨的單價(jià)計(jì)算，依此從前向后類推，計(jì)算發(fā)出存貨和結(jié)存貨的成本.

先進(jìn)先出法是存貨的計(jì)價(jià)方法之一。它是根據(jù)先購入的商品先領(lǐng)用或發(fā)出的假定計(jì)價(jià)的。用先進(jìn)先出法計(jì)算的期末存貨額，比較接近市價(jià)。

先進(jìn)先出法是以先購入的存貨先發(fā)出這樣一種存貨實(shí)物流轉(zhuǎn)假設(shè)為前提，對(duì)發(fā)出存貨進(jìn)行計(jì)價(jià)的一種方法。采用這種方法，先購入的存貨成本在后購入的存貨成本之前轉(zhuǎn)出，據(jù)此確定發(fā)出存貨和期末存貨的成本

關(guān)鍵詞： FIFO