異步FIFO常用于跨時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，其可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，也可以處理異步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸?shù)膩喎€(wěn)態(tài)問(wèn)題。異步FIFO的設(shè)計(jì)其關(guān)鍵點(diǎn)：通過(guò)格雷碼對(duì)內(nèi)部讀寫(xiě)指針進(jìn)行編碼，然后比較產(chǎn)生空滿標(biāo)志，以維護(hù)FIFO的正常工作。

很多人在面試時(shí)被問(wèn)到為什么異步FIFO中需要用到格雷碼，可能大部分的答案是格雷碼可以消除亞穩(wěn)態(tài)。這種回答比較模糊，今天我們就針對(duì)這個(gè)來(lái)深入探討一下。如下圖所示：

Push信息產(chǎn)生的連續(xù)寫(xiě)指針wpt, 通過(guò)同步后，在rclk域與rpt進(jìn)行比較，以產(chǎn)生rclk域的Empty信號(hào)。Empty信號(hào)用于控制讀操作，以避免在FIFO為空時(shí)仍然進(jìn)行讀操作而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，并影響后續(xù)所有的FIFO讀操作。

Pop 信息產(chǎn)生的連續(xù)讀指針rpt, 通過(guò)同步后，在wclk域與wpt進(jìn)行比較，以產(chǎn)生wclk域的Full信號(hào)。Full信號(hào)用于控制寫(xiě)操作，以避免在FIFO為滿時(shí)仍然進(jìn)行寫(xiě)操作而導(dǎo)致的錯(cuò)誤，并影響后續(xù)的所有的FIFO寫(xiě)操作。

異步時(shí)鐘產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)發(fā)生在不同時(shí)鐘域信號(hào)wpt和rpt的比較上。對(duì)于多bit的讀寫(xiě)指針信號(hào)，在跨時(shí)鐘域傳輸時(shí)會(huì)存在bit之前不同延時(shí)導(dǎo)致的毛刺，比如寫(xiě)地址在從0111到1000轉(zhuǎn)換時(shí)4條地址線都會(huì)跳變，這樣在寫(xiě)地址同步到讀時(shí)鐘域后得到的寫(xiě)地址可能是0000-1111的某個(gè)值，因此本來(lái)wpt = rpt的情況變成了wpt > rpt的情況，本來(lái)應(yīng)該出現(xiàn)空狀態(tài)，因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)導(dǎo)致未被發(fā)現(xiàn)，讀操作繼續(xù)進(jìn)行，從而影響了整個(gè)FIFO的功能。

我們知道，格雷碼編碼的連續(xù)數(shù)值之間只有1bit會(huì)發(fā)生變化，這種特性其實(shí)不能消除異步時(shí)鐘數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)的亞穩(wěn)態(tài)。假設(shè)格雷碼編碼的寫(xiě)地址從001(2)->011(3)，讀時(shí)鐘域同步出錯(cuò)，寫(xiě)地址為001->001，也就是地址沒(méi)有跳變，此時(shí)用這個(gè)錯(cuò)誤的寫(xiě)地址與讀地址進(jìn)行比較，出現(xiàn)虛假的空標(biāo)志，但這種虛空只是提前阻止了后續(xù)的讀操作，不會(huì)發(fā)生讀空的情況，因此不會(huì)影響后續(xù)的操作及整個(gè)FIFO的功能。同樣對(duì)于讀地址同步到寫(xiě)時(shí)鐘域時(shí)也會(huì)出現(xiàn)虛滿的情況，這種虛空和虛滿，不會(huì)影響FIFO的功能，因此gray碼保證的是在出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)的情形下，F(xiàn)IFO依然能夠正常的工作。