一、异步FIFO概述
异步FIFO是一种广泛应用于数字电路中的数据交换缓冲存储器，可以将数据在不同的时钟域之间进行转换。
在异步FIFO中，读取和写入的时钟域可以不同，因此，数据可以从一个时钟域异步地传输到另一个时钟域。由于时钟信号不同步时可能引起的问题，异步FIFO需要实现额外的同步电路及异步通信的协议。
二、异步FIFO Verilog代码实现
module async_fifo(
input clkwrite, // 写时钟
input clkread, // 读时钟
input rst_n, // 异步复位
input wr_en, // 写使能
input [7:0] wr_data, // 写数据
output rd_en, // 读使能
output [7:0] rd_data, // 读数据
output full, // 写满
output empty // 空
);
reg [7:0] mem [0:15]; // 16 个 8 比特存储器
reg [3:0] wr_addr = 0; // 写地址
reg [3:0] rd_addr = 0; // 读地址
reg [3:0] count = 0; // 元素计数器
wire wr_ready = count < 16; // 写就绪
wire rd_ready = count > 0; // 读就绪
// 清空 FIFO
always @(negedge rst_n) begin
wr_addr <= 0;
rd_addr <= 0;
count <= 0;
end
// 写数据
always @(posedge clkwrite or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
wr_addr <= 0;
count <= 0;
end else if (wr_en && wr_ready) begin
mem[wr_addr] <= wr_data;
wr_addr <= wr_addr + 1;
count <= count + 1;
end
end
// 读数据
always @(posedge clkread or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) begin
rd_addr <= 0;
count <= 0;
end else if (rd_en && rd_ready) begin
rd_data <= mem[rd_addr];
rd_addr <= rd_addr + 1;
count <= count - 1;
end
end
// 读写满/空标志
assign full = count == 16;
assign empty = count == 0;
// 读写使能
assign rd_en = !empty;
assign wr_ready = !full;
endmodule
三、异步总线同步电路Verilog实现
为了实现异步FIFO的数据交换，需要使用一种异步同步电路来实现数据在时钟域之间的转换。这里我们介绍一种基于双线延迟锁存器的异步总线同步电路：
module async_bus_sync(
input data_in, // 异步输入数据
input clk, // 同步时钟
output reg data_out // 同步输出数据
);
reg [1:0] mem [0:1]; // 双线延迟锁存器
integer i;
// 读取时钟域 0 的信号
always @(posedge clk) begin
mem[0] <= {mem[0][0], data_in};
end
// 读取时钟域 1 的信号
always @(posedge clk) begin
mem[1] <= {mem[1][0], mem[0][1]};
data_out <= mem[1][1];
end
endmodule
四、Verilog实现FIFO
以下是如何使用实现FIFO的Verilog代码：
module test_fifo;
reg clkwrite = 0;
always #5 clkwrite = ~clkwrite; // 写时钟
reg clkread = 0;
always #7 clkread = ~clkread; // 读时钟
reg rst_n = 0; // 重置信号
reg wr_en = 1; // 写使能
reg [7:0] wr_data = 8'h01; // 写入数据
wire rd_en; // 读使能
wire [7:0] rd_data; // 读取数据
wire full; // 写满标志
wire empty; // 空标志
async_fifo fifo(
.clkwrite(clkwrite),
.clkread(clkread),
.rst_n(rst_n),
.wr_en(wr_en),
.wr_data(wr_data),
.rd_en(rd_en),
.rd_data(rd_data),
.full(full),
.empty(empty)
);
// 模拟器初始化时产生异步复位信号
initial begin
rst_n = 0;
#10;
rst_n = 1;
#10;
wr_data = 8'h01;
#20;
wr_data = 8'h02;
#20;
wr_data = 8'h03;
#20;
wr_data = 8'h04;
#20;
wr_en = 0; // 停止写入数据
#10;
wr_en = 1; // 再次开始写入数据
wr_data = 8'h05;
#20;
wr_data = 8'h06;
#20;
wr_data = 8'h07;
#20;
wr_data = 8'h08;
#20;
wr_data = 8'h09;
#20;
wr_data = 8'h0a;
#20;
wr_data = 8'h0b;
#20;
wr_data = 8'h0c;
#20;
wr_data = 8'h0d;
#20;
wr_data = 8'h0e;
#20;
wr_data = 8'h0f;
#20;
wr_data = 8'h10;
#20;
#10;
$finish;
end
// 输出 FIFO 内容
always @(posedge clkread) begin
if (rd_en) begin
$display("Read data: %h", rd_data);
end
end
endmodule
五、异步电动机和同步电机的区别
电动机大多数是同步电动机或异步电动机，这两种电机有很大的区别。
同步电动机的转速与供电电源频率及电压相同，通常在固定电压和频率的场合下工作，如电力系统中使用的发电机或工业中的一些机器，通常在中小功率的应用中发挥作用。同步电动机的构造复杂，体积大，价格贵。
异步电动机的转速与供电电源频率及电压不同，通常在恒定或变化的负载下工作。它是大多数电动机的主要形式之一，广泛应用于家庭和工业等各个领域。它的结构简单，便于制造，价格低廉，被广泛使用。
六、异步FIFO应用
异步FIFO最重要的应用是在不同的时钟域之间传递数据。例如，在处理采样频率不同的音频信号时，需要将它们转换到相同的采样频率下进行处理。另一个重要的应用是在串行通信协议中使用，例如在RS-232，RS-485和USB中。
由于异步FIFO的重要性，将来它将成为许多数字电路的关键部分，例如DMA控制器，通信接口，嵌入式处理器，和数字信号处理器。因此，异步FIFO的开发和优化仍然是数字电路设计中的一个重要领域。
七、小结
本文介绍了异步FIFO的基本原理，使用Verilog代码实现异步FIFO，以及使用异步总线同步电路来实现时钟域的转换。此外，还介绍了异步电动机和同步电动机的区别，以及异步FIFO的应用。希望这篇文章能帮助读者更好地了解异步FIFO，并在实际应用中发挥作用。
