FIFO 最小深度计算 举例 总结

例子 - 1:f_wr > f_rd,连续读写

写时钟80MHz。
读时钟50MHz。
Burst_Len = 120也就是要求至少安全写入120个数据。
连续写入和连续读取,无空闲时间,写入后立即开始读取 ,读写宽度相同。

Sol:

写速率 > 读速率,FIFO迟早会被写满,但它要求至少写入120个数据后FIFO不满。
写入120个数据耗时 120 * 12.5 ns = 1500 ns
写入开始后FIFO内数据以 30M/Date 速率增加。
数据增加持续了 1500 ns ,FIFO最小深度:0.0000015 * 30000000 = 45

例子-1 总结公式:
FIFO\_DEPTH > (写速率-读速率)* \frac{Burst\_Len}{写速率}\tag{1}


例子 - 2 :f_wr > f_rd & 写速率 > 读速率,非连续读写

写时钟80MHz。
读时钟50MHz。
Burst_Len = 120,也就是要求至少安全写入120个数据。
写入后立即开始读取 ,读写宽度相同。
2个时钟中有1个数据写入(写速率:80M * 1/2 = 40M)。
4个时钟中有1个数据读出(读速率:50M * 1/4 = 12.5M)。

Sol:

FIFO迟早会被写满 ,但它要求至少写入120个数据后FIFO不满。
写一个数据耗时:2/80MHz = 25ns
需要至少写入120数据,耗时:25 * 120 = 3000ns
例子2只是读写速率和例子1不同,可以直接用的公式(1) :
FIFO_DEPTH > (写速率-读速率)* Burst_Len/写速率 = (40M-12.5M)*120/40M = 83


例子 - 3:f_wr < f_rd ,连续读写

写时钟30MHz。
读时钟50MHz。
Burst_Len = 120,也就是要求至少安全写入120个数据。
连续写入和连续读取,无空闲时间,写入后立即开始读取 ,读写宽度相同。

Sol:

FIFO_DEPTH > 1 即可。读速率比写速率快,数据不会滞留。


例子 -4:f_wr < f_rd & 写速率 > 读速率,非连续读写

写时钟30MHz。
读时钟50MHz。
Burst_Len = 120,也就是要求至少安全写入120个数据。
2个时钟中有1个数据写入(写速率:30M * 1/2 = 15M)。
4个时钟中有1个数据读出(读速率:50M * 1/4 = 12.5M)。

Sol:

虽然写时钟小于读时钟频率,但是,宏观上写速率大于读速率。可以直接用的公式(1) :
FIFO_DEPTH > (写速率-读速率)* Burst_Len/写速率 = (15M-12.5M)*120/15M = 20


例子 1-4总结

当满足以下所有条件时,就可使用公式(1):

  1. 写速率 > 读速率时。
  2. 读写有效数据占比 <= 0.5,且 有效数据均匀分布在所有时间上。或者说,无论微观时间、还是宏观时间上,读写速率近似于 时钟频率 * 有效数据占比 时。

当每100个时钟写80个数据时,微观时间上的写速率与数据排列有关,不能将宏观写速率带入式子(1)


例子 - 5

读写时钟频率相同。
100个时钟有80个数据写入。
10个时钟有8个数据读出。
Burst_Len = 160,也就是要求至少安全写入160个数据 。

Sol:

宏观上,读写速率相同;当FIFO足够深时,FIFO不会溢出。
微观上,写速率有多种情况:

1.png
case 完整写入160个数据,需要的周期数
1 200
2 200
3 180
4 160
5 200
  • 为了求出安全的最小FIFO深度,我们需要考虑最差的情况。
  • 最差的情况下,写入和读出速度应该相差最大。 写入要最快,读出要最慢。FIFO内的数据增加最快。
  • 从上表中可得出:最大写入速率是case 4(back to back write,中间没有空闲,速率为时钟频率 f,写入了160个 )。
  • 读出要最慢,在写160个数据期间,读相比于写端可以认为是速率均匀的,速率为 f*8/10,读出了160 * 8 /10 = 128个。
  • 因此 FIFO_DEPTH > 160 - 128 = 32。用公式(1)也可以得到这个结果,写速率带入f而不是f*8/10

总结:求解步骤

  1. 考虑最差的情况下,写入和读出速度应该相差最大。 写入要最快,读出要最慢。FIFO内的数据增加最快。

  2. 只考虑宏观上写入速率 >= 读出速率的情况。

  3. 确定写入Burst_Len大小。Burst_Len指的是一段连续写入区间,由于没有空隙这段时间写入速率最大最多。
    一定要对具体的数据分布情况具体分析,Burst_Len一定是最长的一段连续写入区间。

  4. 在微观上,确定最大写入速率。Burst_Len足够长时,写入速率 = 写时钟频率(back to back write)。
    而在例子 - 2中,Burst_Len很短,没有back to back write,写入速率 = 写时钟频率 * 写有效占比。

  5. 在微观上,确定最小读出速率。一般认为读出速率是均匀的,读出速率 = 读时钟频率 * 读有效占比。

  6. 带入公式(1)计算。

Burst_Len足够长时,将上面读出写入速率带入公式(1),可得到网上讨论最多的FIFO深度求解公式:
FIFO\_DEPTH > Burst\_Len - Burst\_Len * \frac{X}{Y} * \frac{rd\_clk}{wr\_clk} \tag{2}\\ \frac{X}{Y} :表示读有效占比,在例子5中等于\frac{8}{10}
十分不建议直接用公式(2)无脑计算,上式只有Burst_Len足够长,发生back to back write时才适用。

建议根据1~6步骤,判断微观写速率是否均匀,带入式子(1)计算。

以上,仅备忘用途。
可能会有错误。

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