隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是在二十世紀(jì)90年代以后，美國在南斯拉夫戰(zhàn)爭和兩次海灣戰(zhàn)爭中成功地運(yùn)用了電子戰(zhàn)、信息戰(zhàn)，以及近年來我國在航天航空事業(yè)方面的高速發(fā)展，使我國開始重視和發(fā)展信息技術(shù)。與此同時(shí)對高速、大容量、高可靠性的靜態(tài)存儲(chǔ)器的需求越來越多，對軍用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)也提出了更高的要求。目前軍用計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的最快方式——DMA方式的傳輸速率最大也只是在5Mbps以下。對于幾十Mbps的超高速采樣速率,往往是上一次數(shù)據(jù)還沒有被計(jì)算機(jī)讀取,下一次的采集過程就結(jié)束了。因此采用傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)傳輸處理數(shù)據(jù)的方法,顯然會(huì)造成數(shù)據(jù)的丟失與混亂。所以對于快速采集，慢速處理的系統(tǒng)必然要用到緩存。本文就是針對數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器FIFO解決亞穩(wěn)態(tài)問題的設(shè)計(jì),經(jīng)過對不同方法的比較, 設(shè)計(jì)了一種新型的邏輯標(biāo)志的同步電路。
1 亞穩(wěn)態(tài)問題的解決方案
1.1問題的產(chǎn)生
　　在數(shù)字集成電路中，觸發(fā)器要滿足setup/hold的時(shí)間要求。當(dāng)一個(gè)信號被寄存器鎖存時(shí)，如果信號和時(shí)鐘之間不滿足這個(gè)要求，Q端的值是不確定的，并且在未知的時(shí)刻會(huì)固定到高電平或低電平，這個(gè)過程稱為亞穩(wěn)態(tài)，如圖1所示。圖中clka和clkb即為異步時(shí)鐘，亞穩(wěn)態(tài)必定會(huì)發(fā)生在異步時(shí)鐘電路中。在圖1的異步電路中，電路外部的輸入和內(nèi)部的時(shí)鐘之間是毫無時(shí)間關(guān)系的，因此setup/hold沖突是必然的；同在電路內(nèi)部的兩個(gè)沒有關(guān)系的時(shí)鐘域之間的信號傳遞，也必然會(huì)導(dǎo)致setup/hold沖突。亞穩(wěn)態(tài)雖然是不可避免的，但采用下面幾種設(shè)計(jì)方法可以將其發(fā)生的概率降低到一個(gè)可以接受的程度。

1.2 常見的解決方法
1.2.1格雷碼編碼法
　　寫地址/讀地址采用格雷碼。由實(shí)踐可知，同步多個(gè)異步輸入信號出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同步一個(gè)異步信號的概率。對于多個(gè)觸發(fā)器的輸出所組成的寫地址/讀地址可以采用格雷碼。由于格雷碼每次只變化一位，因此采用格雷碼可以很好地節(jié)約功耗，有效地減少亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，特別是在地址位比較多的情況下可以更好地解決亞穩(wěn)態(tài)的問題。
格雷碼是對二進(jìn)制地址輸出進(jìn)行轉(zhuǎn)換，下面是四位代碼之間轉(zhuǎn)換的邏輯表達(dá)式：
　　B碼轉(zhuǎn)G碼的邏輯表達(dá)式： G碼轉(zhuǎn)B碼的邏輯表達(dá)式：
　　　　B4=G4　　　　　　　　 G4=B4
　　　　B3=B4⊕G3　　　　　　G3=B4⊕B3
　　　　B2=B3⊕G2　　　　　　G2=B3⊕B2
　　　　B1=B2⊕G1　　　　　　G1=B2⊕B1
　　但采用格雷碼編碼法需要在地址位的每一位增加一級的異或門，這樣在計(jì)數(shù)比較前增大了延時(shí)和版圖面積。同時(shí)在地址分配到其他邏輯單元前要把格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，這同樣也會(huì)增大版圖設(shè)計(jì)面積和延時(shí)。

1.2.2 雙觸發(fā)器法
　　采用觸發(fā)器來同步異步輸入信號，如圖2中的兩級觸發(fā)器可以將出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的概率降低到一個(gè)很小的程度。由于增加了一級觸發(fā)器，這樣在最后的輸出就延遲了一個(gè)時(shí)鐘，使前一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生的數(shù)據(jù)被b_clk連續(xù)鎖存兩次。雖然第一次鎖存產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，但經(jīng)過一段時(shí)間的延時(shí)可以有效地解決這個(gè)問題。這種方法同時(shí)帶來了對輸入信號的一級延時(shí)，需要在設(shè)計(jì)時(shí)鐘的時(shí)候加以注意。
　　雖然兩級觸發(fā)器能有效地抑制亞穩(wěn)態(tài)，但增加了一級的D觸發(fā)器，這和格雷碼編碼法一樣會(huì)增加版圖面積。這種方法在clka與clkb的采樣周期相差不大的情況下比較適合。
1.2.3 結(jié)繩法
　　如圖3所示，如果aclk的頻率比bclk頻率高，將可能會(huì)出現(xiàn)因?yàn)閍dat變化太快而使bclk無法采到的問題，即在信號從快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡時(shí)，如果信號變化太快，慢時(shí)鐘將可能無法對該信號進(jìn)行正確采樣，即采樣失敗。所以在使用雙鎖存器法時(shí)，應(yīng)該使原始信號保持足夠長的時(shí)間，以便另一個(gè)時(shí)鐘域的鎖存器對其進(jìn)行正確的采樣。
對上述問題,一般采用“結(jié)繩法" title="結(jié)繩法">結(jié)繩法”的設(shè)計(jì)方法，將慢時(shí)鐘周期信號通過分頻的方式將其周期增長，經(jīng)過雙鎖存采樣以后再使其恢復(fù)原來的時(shí)鐘周期。即用“結(jié)繩”將信號延長，用“同步”實(shí)現(xiàn)雙latch采樣，用“解繩”還原為原來的時(shí)鐘，保證另一個(gè)時(shí)鐘域也可以正確采樣，而接收方用相反的流程送回響應(yīng)信號。

　　“結(jié)繩法”可以解決快時(shí)鐘域向慢時(shí)鐘域過渡的問題，適用的范圍也很廣。但是“結(jié)繩法”實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，特別是其頻率不高，所以在對設(shè)計(jì)性能要求較高的場合應(yīng)該慎用。
2 基于異步比較FIFO邏輯標(biāo)志的產(chǎn)生
2.1 設(shè)計(jì)思想
　　異步FIFO可以很好地解決時(shí)鐘速度相差懸殊的時(shí)鐘間的數(shù)據(jù)傳輸問題。異步FIFO存儲(chǔ)器在結(jié)構(gòu)上可劃分為存儲(chǔ)陣列和外圍電路兩大部分，它由幾個(gè)主要模塊組成：存儲(chǔ)單元RAM、寫控制邏輯、讀控制邏輯、標(biāo)志邏輯、擴(kuò)展邏輯、復(fù)位邏輯以及并/串轉(zhuǎn)換邏輯。這里主要考慮產(chǎn)生空、滿標(biāo)志的同步。
　　標(biāo)志邏輯是用以產(chǎn)生反映器件內(nèi)部RAM陣列占用情況的狀態(tài)標(biāo)志信號，使系統(tǒng)可以及時(shí)采取措施以免數(shù)據(jù)溢出。在FIFO中標(biāo)志位的產(chǎn)生是關(guān)鍵的一步，如果能夠及時(shí)判斷出每一個(gè)時(shí)鐘下寫入和讀出的位置，就可以防止產(chǎn)生誤操作，做到寫滿不再寫、讀空則停止讀。在異步FIFO中的標(biāo)志位主要包括空標(biāo)志、滿標(biāo)志、半滿標(biāo)志和將近滿、將近空標(biāo)志。異步FIFO邏輯框圖如圖4所示。

2.2 標(biāo)志位的產(chǎn)生
2.2.1 空、滿標(biāo)志位的產(chǎn)生標(biāo)志邏輯
　　滿標(biāo)志是為了防止FIFO在滿狀態(tài)時(shí)被寫，空標(biāo)志是為了防止FIFO在空狀態(tài)時(shí)被讀。對于異步FIFO而言，數(shù)據(jù)是由某一個(gè)時(shí)鐘域的控制信號寫入FIFO，而由另一個(gè)時(shí)鐘域的控制信號將數(shù)據(jù)讀出FIFO。也就是說，讀寫指針的變化動(dòng)作是由不同的時(shí)鐘產(chǎn)生的。因此，對FIFO空或滿的判斷是跨時(shí)鐘域的。如何根據(jù)異步的指針信號對FIFO的滿狀態(tài)或空狀態(tài)進(jìn)行正確的判斷是研究的重點(diǎn)之一。
　　當(dāng)讀指針和寫指針相等也就是指向同一個(gè)內(nèi)存位置時(shí)，F(xiàn)IFO可能處于滿或空兩種狀態(tài)?？梢酝ㄟ^不同的方法判斷或區(qū)分FIFO究竟是處于滿狀態(tài)還是空狀態(tài)，也就是說究竟是寫指針從后趕上了讀指針，還是讀指針從后趕上了寫指針。本文采用設(shè)置一個(gè)額外的狀態(tài)位的方法，即指針由它的地址位以及狀態(tài)位組成。地址位隨著相應(yīng)的操作遞增，指針由內(nèi)存的最后位置返回到初始位置時(shí)，狀態(tài)位取反。因此，當(dāng)讀寫指針的地址位和狀態(tài)位全部吻合的時(shí)候，讀寫指針經(jīng)歷了相同次數(shù)的循環(huán)移動(dòng)，也就是說，F(xiàn)IFO處于空狀態(tài)；如果讀寫指針的地址位相同而狀態(tài)位相反，寫指針比讀指針多循環(huán)一次，標(biāo)志FIFO處于滿狀態(tài)。
2.2.2 異步比較FIFO邏輯標(biāo)志與時(shí)鐘的同步
　　一般的異步FIFO是先將讀地址與寫地址同步以后（以上提到的方法）再進(jìn)行比較，這種方法一般效率不高，不能很好地節(jié)省制版面積。本文采用一種異步比較法，能夠有效地解決這一問題。目前IDT公司的系列產(chǎn)品一般都采用這種異步比較法。
　　在異步FIFO中，由FIFO讀時(shí)鐘產(chǎn)生讀地址rptr，寫時(shí)鐘產(chǎn)生寫地址wptr。當(dāng)rptr與wptr進(jìn)行異步比較時(shí)，由于rptr的變化(assert)產(chǎn)生aempty_n(FIFO空標(biāo)志),即aempty_n的下降沿是與rptr同屬于一個(gè)時(shí)鐘域的；同理，由于wptr的變化(assert)使aempty_n無效(de-assert),即aempty_n的上升沿" title="上升沿">上升沿是與wptr同屬于一個(gè)時(shí)鐘域的。異步比較的時(shí)鐘域如圖5所示。

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　　因此可以利用上述的理論基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)從aempty_n到empty的過渡。其中， empty是屬于rclk時(shí)鐘域的。由于aempty_n的下降沿是屬于rclk時(shí)鐘域的，所以可以用它來作為empty的復(fù)位信號；而aempty_n的上升沿是屬于wclk時(shí)鐘域的，因此可以用雙鎖存器法將其過渡到rclk時(shí)鐘域，最后得到的empty信號就屬于rclk時(shí)鐘域。同理可以得到full信號?？刂菩盘柾饺鐖D6所示。
　　如圖6所示，異步比較法的關(guān)鍵是用異步比較的結(jié)果——信號的下降沿作為最終比較結(jié)果的復(fù)位信號，而其上升沿則用傳統(tǒng)的雙鎖存器法進(jìn)行同步，最終得到的信號的上升沿與下降沿都是屬于同一個(gè)時(shí)鐘域。同時(shí)增加的兩級鎖存器也增加了一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí)輸出，這樣在滿有效狀態(tài)下，同時(shí)來自讀寫時(shí)鐘的讀寫指令存在潛在的亞穩(wěn)態(tài)問題就可以避免。在與傳統(tǒng)的先將地址信號同步然后進(jìn)行同步比較的方法相比，異步比較法簡單、高效、節(jié)省版圖面積，而且實(shí)現(xiàn)起來更簡單。
2.2.3 半滿、將近滿、將近空的產(chǎn)生
　　半滿、將近滿和將近空是對FIFO芯片容量的一種提前判斷。半滿標(biāo)志是一個(gè)雙用輸出端口，在單片模式下，當(dāng)擴(kuò)展輸入端接地時(shí)，這個(gè)端口就作為半滿標(biāo)志。在字?jǐn)U展模式下，該端口為擴(kuò)展輸出端。