怎样设计一个同步FIFO？（2）

上一篇介绍了利用Flip Flop来作为存储单元的同步FIFO设计。这一篇咱们来看如何利用2 Port SRAM来作为存储单元设计同步FIFO。

开始往下读之前，老李先问一个问题，假如现在让你设计一个深度为N的基于2port SRAM的同步FIFO，请问至少需要多大的SRAM？ 假设SRAM的位宽就是你的数据宽度，那么问题就是问你需要的SRAM的行数至少是多少？如果你觉得答案是显而易见的N，那么你值得读完这一篇。

首先来说为什么要用SRAM设计FIFO，很简单为了省面积。我们说存1bit的数据，SRAM里一个bit cell经典结构是6个晶体管，而一个flip flop需要的晶体管在20个左右，那么从面积上来说，肯定是SRAM小对吧？但是这里面有个平衡点，对于一块SRAM，算面积的时候不能仅仅算里面存储单元bit cell的面积，还要算外围的decode逻辑的面积。当SRAM的row size x column size比较小的时候，外围的decode逻辑占的比重比较大，反而这个时候SRAM的总面积不如row x column个flop的面积小。至于这个转折点要看工艺和memory compiler的data sheet，具体面积要拿SRAM的data sheet去比较。老李自己总结的一个经验，不保证完全准确，在5nm工艺下，这个转折点大概在2k bit，低于2k bit，比如16x32的大小，那还是Flop划算，如果远大于2k bit，那么就用SRAM，差不多在2-3k bit量级的时候要根据memory datasheet里的area number来比较。

再来说说什么是2 port SRAM，2 port 通常也被称作dual port，一个端口为写端口，一个端口为读端口。这两个端口可以同时工作，同一个周期内既可以读，也可以写，简化的框图如下图所示

WCEN：Write Chip Enable Neg，当这个信号为0的时候，要写入数据

WDATA: 要写入的数据

WADDR：要写入的地址

RCEN：Read Chip Enable Neg，当这个 信号为0的时候，要读出数据

RDATA: 读出的数据

RADDR: 读出的地址

这里要注意，要写入的数据是指WCEN为0那个周期的WDATA，而读出的数据并不是RCEN为0那个周期的RDATA，而是下一个周期的RDATA。

时序图如下图所示

可以看到，cycle 1进行写操作，在地址A0写入数据D0。在cycle 2进行读操作，要在cycle 3才能读出D0。那你一定好奇如果给同一个地址在同一个周期又读又写怎么办呢？这个不同的foundary的sram可以有不同的实现，这里表示的是一个较为常见的实现，看cycle 7，读写同时发生并且在同一个地址，在cycle 8读出的还是之前写入在这个地址的数据D0，而不是cycle 7写入的新数据D1。只有再读一次A0，你才能看到D1。

下面我们来考虑如何设计基于2port SRAM的同步FIFO。既然FIFO有push和pop端，也有wdata和rdata，那刚好对应SRAM的write port和read port，看起来我们大概只需要直接把SRAM包起来，用两个计数器来分别计算write pointer和read pointer就可以了，如下图所示

真的这么简单吗？我们来思考一个问题，用上面的FIFO来存第一个数D0，利用上面的结构，q能够在push的下一个周期变为D0吗？

回顾一下我们想要的FIFO的时序

在cycle1的时候我们push D0，我们期望Q在cycle 2的时候就可以输出FIFO最头上的数D0，而且注意，这个时候我们并没有进行pop操作。

可是从上面SRAM的时序图我们可以看到，要想让RDATA输出D0，我们至少要让RCEN为0一个周期，而且RCEN为0必须得在WCEN为0之后，让RDATA拿到D0最快也到了WCEN之后的2个周期，因而不满足在PUSH之后下一个周期Q就输出D0。

另外还有个问题，当我们push进去一个数之后，如果这个数写入了SRAM，那么我们必须要有一次读SRAM的操作，才能把数读出来，这在上面的框图里也就是要执行一次pop。这也和FIFO的工作相背离，因为FIFO可能并不是需要立刻pop。

那么我们怎么做才能让Q在push的下一个周期输出D0呢？环顾四周，好像除了利用Flip Flop也没有别的办法了。也就是说 ，第一个数我们把数不写进SRAM，而是写到一个Flop里，然后让Q从Flop输出 。

等等，说好了用SRAM来存数据的，怎么又把数据存到Flop里面去了呢？

别急，这里确实是没有办法的办法，如果我们有可以和Flop时序一样的SRAM，那么也可以不用这种办法，但是在接受SRAM的时序是这样的情况下，我们必须借助Flop来实现第一个数在push之后下一个周期就能够出现在Q上。

当然，我们不是说所有的数都要用Flop来存，接下来push的数据我们还是要放在SRAM里面的，我们把上面的结构改一改，可以先设计出下面的FIFO结构。

在这个结构中，我们从D可以直接把数据存到输出级的这个Flop中，相当于bypass了SRAM，然后我们的想法是：当第二次push的时候，我们再把数据存到SRAM里，同时，当我们把第一个数据pop出来之后，我们就把数据从SRAM里拿到这个输出级的Flop中，这样是不是就对了呢？

不好意思，其实还是有问题，我们假设FIFO里面已经存了2个数据，D0存在输出级的Flop里，D1存在SRAM里，如下图所示

那么当我们要pop一次之后，我们期望的FIFO的时序是：在pop的下一个周期，Q就应该是D1了，因为D0被弹出，FIFO最头上的数是D1了。如下图所示

但是如果在pop为1的那个周期去读SRAM，则要在下一个周期RDATA才能读出D1，再还需要一个周期才能把D1存到输出级的Flop上，也就是pop之后两个周期才能看到D1， 这样就不满足FIFO的时序了。

那怎么办呢？我们只好省去把D1从RDATA存到Flop上的那一步，而是把RDATA当做Q来直接输出。电路结构变成了下面

我们的设计思路就变成了

1. 往FIFO里push的第一个数要bypass SRAM，把数据直接存到输出级Flop去。
2. 如果SRAM里面存了数，那么pop一次，就要把RDATA直接输出到Q端。

看起来没有问题了吧？其实还有一个特殊情况没有考虑到，也就是当FIFO里只有一个数据，而在push下一个数据的时候同时来了pop。如下图所示

那么这个时候要push的D1是不能往SRAM里写的，一旦写进去要读出来还得多花一个周期，所以这个时候也是要bypass SRAM。

所以更加严谨的条件是

1. 往FIFO里push的第一个数要bypass SRAM， 或者FIFO里只有1个数据，而且在push新数据的同时pop ，那么把数据直接存到输出级Flop去。
2. 当FIFO里只有一个数据的时候，Q端来自于输出级Flop
3. 如果SRAM里面存了数，那么pop一次，就要把RDATA直接输出到Q端。

至此，我们利用一级flip flop来实现了省去一个读SRAM的周期，可以实现FIFO的时序。

现在可以回答文章开头的问题了，因为有了输出级Flop来存第一个数据，那么SRAM其实并不需要存N个数据，只需要存N-1个数据就好了。但是在实际工作中，Width x N 和Width x (N-1)的面积其实没有差很多，你用Width xN的SRAM完全没有问题。当然要注意，这个时候memory 的address pointer和我们上一讲里的wr_ptr, rd_ptr就不是完全一样了，因为第一个数据并不是存在SRAM里。

写到这里，是不是就完全搞定问题了呢？我们来分析一下，我们这样设计可行其实是有一个前提，即SRAM的RDATA的timing是下面的。这里把开头的图再看一遍

我们说FIFO的Q在不pop的时候是稳定不变的，是利用了这里SRAM的特性，即读完一次之后，RDATA的值会保持不变，一直到下一次读操作（图中的cycle 3-7)，这样我们就可以直接把RDATA输出到Q。

但是并不是所有厂家的SRAM的时序是这样的，大家要看厂家的memory的datasheet来确认时序（TSMC家的是这样的， 但是可能别的厂家并不保证）如果SRAM时序是下面这样，那么我们的设计就不能满足FIFO的要求了

而且上面的设计可能还有一个STA上的问题，因为Q来自于RDATA，那么SRAM内部的clock-to-rdata的timing可能比较大，这样给后面FIFO输出的Q后面所留有的空间就比较小了。如果Q之后还要做逻辑运算，或者再下一级Flop距离比较远，那么修timing的时候就比较挑战。

要解决上面两个问题，一个必然的思路是不能直接输出RDATA到Q，还是要把RDATA给flop住，这样一方面使得输出Q可以保持稳定，另一方面，这一级flop依然在FIFO内部，从Flop直接输出对于FIFO后级的timing有帮助。你看，兜兜转转，似乎还是要回到我们前面要毙掉的方案。那么我们要怎么设计，才能解决前面那个方案不满足FIFO时序要求的缺陷呢？大家可以自己先思考一下，老李下篇再带来更深入的讲解。