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FIFO的設(shè)計(jì)可參考
FIFO的Verilog設(shè)計(jì)（一）——同步FIFO
FPGA的Verilog設(shè)計(jì)（二）——異步FIFO
參考文獻(xiàn)
[1]FIFO最小深度計(jì)算

前言

??在實(shí)際使用FIFO時(shí)，需要考慮FIFO的深度如何設(shè)置，如果深度設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)出現(xiàn)資源浪費(fèi)或者數(shù)據(jù)丟失等情況。下面將簡(jiǎn)要介紹FIFO的最小深度如何計(jì)算。

一、FIFO的最小深度

??由前兩篇文章對(duì)FIFO的介紹，FIFO常用于數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)匹配和多bit跨時(shí)鐘域處理。
??因此在讀寫速度不匹配的時(shí)候可以使用FIFO，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。當(dāng)讀速度慢于寫速度時(shí)，FIFO可作為一個(gè)緩存單元。此時(shí)總會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)緩存在FIFO中，但是如果讀寫速度相差過大，就會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出。所以在寫速度最大、讀速度最小時(shí)，正好不導(dǎo)致FIFO出現(xiàn)數(shù)據(jù)溢出的最小深度。當(dāng)讀速度快于寫速度時(shí)，FIFO更多的是起著變換時(shí)鐘域的作用。

寫速度快于讀速度

??FIFO寫速度快于讀速度模型的應(yīng)用場(chǎng)景為，無論是數(shù)據(jù)需不需要跨時(shí)鐘域，只要FIFO寫速度快于讀速度，FIFO寫入一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_1$秒，讀出一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_2$秒（$t_1<t_2$），一共需要傳輸$n$個(gè)數(shù)據(jù)。
??FIFO寫入n個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間為$n{t}_1$，FIFO在$n{t}_1$時(shí)間內(nèi)讀出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為$\frac{n{t}_1}{t_2}$，此時(shí)FIFO中剩余數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)$?n?\frac{n{t}_1}{t_2}?$。

寫速度等于或慢于讀速度

??FIFO寫速度等于或慢于讀速度模型的應(yīng)用場(chǎng)景為，在多bit數(shù)據(jù)需要變換時(shí)鐘域情況下，FIFO的最小深度設(shè)置為1即可。因此FIFO只是起著變換時(shí)鐘域的作用。

二、 舉例說明

1. FIFO寫時(shí)鐘為100MHz，讀時(shí)鐘為80Mhz

情況一：一共需要傳輸2000個(gè)數(shù)據(jù)，求FIFO的最小深度

??FIFO寫入一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_1=\frac{1}{100M}$s，讀出一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_2=\frac{1}{80M}$s
??FIFO寫入2000個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間$n{t}_1=\frac{2000}{100M}$s
??FIFO在$n{t}_1$時(shí)間內(nèi)讀出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 $nu{m}_{rd}=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{2000?80M}{100M}=1600$
??此時(shí)FIFO剩余數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為$num=2000?nu{m}_{rd}=2000?1600=400$
??可得FIFO最小深度為400。

情況二：100個(gè)時(shí)鐘寫入80個(gè)數(shù)據(jù)，1個(gè)時(shí)鐘讀1個(gè)數(shù)據(jù)，求FIFO的最小深度

??FIFO寫入一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_1=\frac{1}{100M}$s，讀出一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_2=\frac{1}{80M}$s
??100個(gè)時(shí)鐘寫入80個(gè)數(shù)據(jù)，可以理解為80個(gè)有效寫時(shí)鐘和20個(gè)無效寫時(shí)鐘。

??此為突發(fā)讀寫情況，需要考慮什么時(shí)候突發(fā)寫的數(shù)據(jù)最多。當(dāng)前后兩個(gè)100時(shí)鐘的突發(fā)寫是連續(xù)時(shí)，突發(fā)寫的數(shù)量最多，如下圖所示

??FIFO寫入160個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間$n{t}_1=\frac{160}{100M}$s
??FIFO在$n{t}_1$時(shí)間內(nèi)讀出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 $num\_rd=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{160?80M}{100M}=128$
??此時(shí)FIFO剩余數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為$num=160?num\_rd=160?128=32$
??可得FIFO最小深度為32。
??note:訣竅在于找出最大連續(xù)寫入的數(shù)據(jù)量。

情況三：100個(gè)時(shí)鐘寫入80個(gè)數(shù)據(jù)，3個(gè)時(shí)鐘讀1個(gè)數(shù)據(jù)，求FIFO的最小深度

??FIFO寫入一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_1=\frac{1}{100M}$s，讀出一個(gè)數(shù)據(jù)需要$t_2=3?\frac{1}{80M}$s
??同上情況，FIFO最大連續(xù)寫入的數(shù)據(jù)量，寫入160個(gè)數(shù)據(jù)需要的時(shí)間$n{t}_1=\frac{160}{100M}$
??FIFO在$n{t}_1$時(shí)間內(nèi)讀出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為 $num\_rd=\frac{n{t}_1}{t_2}=\frac{160?80M}{3?100M}=42.67$
??此時(shí)FIFO剩余數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為$num=160?num\_rd=160?42.67=117.33$
??可得FIFO最小深度為$?117.33?=118$，可以設(shè)置成2的冪次方128。

三、什么情況下不太需要考慮FIFO的最小深度

??何時(shí)不用過分考慮FIFO的最小深度？在數(shù)據(jù)發(fā)送端如果能夠接受FIFO的空滿信號(hào)反饋時(shí)可以設(shè)置個(gè)大概的深度即可。利用FIFO的空滿信號(hào)（或者almost_full/almost_empty）的反饋來控制FIFO的讀寫使能能夠有效解決數(shù)據(jù)的溢出。