隨著數字電子系統設計規(guī)模的擴大，一些實際應用系統中往往含有多個時鐘，數據不可避免地要在不同的時鐘域之間傳遞。如何在異步時鐘之間傳輸數據，是數據傳輸中一個至關重要的問題，而采用FIFO正是解決這一問題的有效方法。異步FIFO是一種在電子系統中得到廣泛應用的器件，多數情況下它都是以一個獨立芯片的方式在系統中應用。本文介紹一種充分利用FPGA內部的RAM資源，在FPGA內部實現異步FIFO模塊的設計方法。這種異步FIFO比外部FIFO 芯片更能提高系統的穩(wěn)定性。

1 FIFO的基本結構和工作原理
FIFO(First In First Out)是一種采用環(huán)形存儲結構的先進先出存儲器。其使用一個雙端口存儲器存放數據，數據發(fā)送方在一端寫入數據，接收方在另一端讀出數據，能夠協調好兩個時鐘域的工作，滿足高時鐘頻率的要求。FIFO在FPGA設計中主要用來緩沖數據和隔離時鐘或相位差異。訪問FIFO時不需要地址線，只需要數據線和讀寫控制信號線，且數據地址由內部讀寫指針自動加1完成，因此利用FIFO實現數據的緩存具有接口簡單、讀寫方便的優(yōu)點。
根據FIFO的工作時鐘，可將FIFO分為同步FIFO和異步FIFO。同步FIFO是指讀時鐘和寫時鐘為同一個時鐘，在時鐘沿來臨時同時進行讀寫操作；異步FIFO是指讀寫時鐘不是同一個時鐘，而是相互獨立的。實際上，工作在同一時鐘的FIFO很少用到，多數都是讀寫時鐘獨立的異步FIFO。本文設計的異步FIFO位寬為8，深度(即FIFO可以存儲8位數據的個數)為1 024。異步FIFO的結構如圖1所示。

雙端口RAM存儲器具有獨立的讀寫端口。如果用一個單端口RAM存儲器實現異步FIFO，還應該包含一個仲裁器來保證同一時刻只能有一種操作(讀或寫操作)。本文選擇的雙端口RAM并不一定是真正的雙端口，只要有獨立的讀寫端口即可。讀寫控制邏輯由加法計數器構成，實現讀寫地址的自動加1功能。空／滿標志位的產生邏輯給系統提供空(empty)和滿(full)信號。

2 異步FIFO設計中的問題與解決辦法
2．1 亞穩(wěn)態(tài)問題
在含有觸發(fā)器的電路中往往會出現亞穩(wěn)態(tài)問題。亞穩(wěn)態(tài)會使異步FIFO的讀寫地址發(fā)生錯誤，產生誤讀或者誤寫。為此異步FIFO設計中亞穩(wěn)態(tài)問題也是一個比較重要的問題。亞穩(wěn)態(tài)不可能完全消除，只能使其出現的概率降到最低。主要有2種方法來降低亞穩(wěn)態(tài)出現的概率：
①采用觸發(fā)器冗余方式。即采用多個觸發(fā)器級聯的方式，使本來出現概率為P的亞穩(wěn)態(tài)，其出現概率降低到P2，但這種方式會導致延時增加。
②使用格雷碼。格雷碼的相臨碼元之間只有一位發(fā)生變化，這就大大地降低了亞穩(wěn)態(tài)出現的概率。本文采用格雷碼方式。