谈一谈FIFO的深度

前言：

最近加的群里面有些萌新在进行讨论FIFO的深度的时候，觉得 FIFO的深度计算比较难以理解 。所以特出漫谈FIFO系列，会涉及到FIFO的深度计算、同步/异步FIFO的设计等。

引言：

考虑如下的场景，是我们小学或者初中的时候学过的一个问题：

场景一：

如上图所示，假设入水口的 进水量 2m³/h ，出水口的 出水量1m³/h ，假设水池容量10m³，开始的时候水池没有水，水池多久会满？

答：水池容量 / (进水量 - 出水量) = 10 /(2 - 1) = 10 h

上面我们可以得出，对于进水量比出水量多的情况下，无论水池容量大小是多少， 水池在一些时间之后会溢出 。

所以这也反映了，我们在IC设计中，对于 FIFO这个蓄水池 ，输入数据的个数一直大于输出数据的个数， FIFO总会溢出产生问题 。

场景二：

如上图所示，假设入水口的 进水量 2m³/h ，出水口的 出水量1m³/h ，但是本场景和场景二不同的地方是：入水口的进水时间是一天24h中的任意8小时进水。出水口是半天12h中的任意2小时出水。

问水池会溢出吗？可以设计水池的深度让水池不要溢出吗？

（1）对于一天的进水量来说，2 *8 = 16m³ ，对于一天的出水量来说，2 *2 = 4m³ ， 进水量 - 出水量 = 12 m³，所以水池会溢出。

（2）因为 输入数据的个数一直大于输出数据的个数 （在当前的时间）。所以无论设计多深的深度，水池都会溢出。

场景三 ：

如上图所示，假设入水口的时钟是按照 分钟来进行间隔 ，对于入水口，每10分钟流入8m³的水，对于出水口来说，每1.2分钟流出1m³的水。

问水池会溢出吗？可以设计水池的深度让水池不要溢出吗？

（1）对于入水口来说，10分钟8立方米 所以12分钟9.6m³，对于出水口12分钟10m³。所以通过 设定水池的深度可以让水池不会溢出 。因为总体而言流出的水流是大于流入的水流。

概念1：back to back

对于入水口来说有一种情况是需要注意的。这种情况如下图：

在一次 完整的20分钟之内 ，前面两分钟没有进水，最后的两分钟没有进水，进水的时间集中在20分钟内的 连续16分钟内 ，所以这段时间对于水池来说压力最大，因为水池设计的深度如果不考虑这个可能就会溢出，（这也就是所谓的流(水)量密集）

（2）考虑到概念1再回答场景三的第二个问题：水池的深度应该设计为：

**[1] **16m³ / 16 min = 进水量的效率

[2] 1m³ / 1.2min = 出水量的效率

**[3] ** 水池的深度 = （进水量效率 - 出水量效率） * **16 min ** = （16 /6 ）m³

在计算水池深度我们可以得出 结论 ：

所谓水池的深度在计算的时候，就是进水量在背靠背这段时间内，进水的所有量，减去背靠背这段时间内出水口的出水量，在这背靠背的时间内，入水的量减去出水的量，就是内部的水池应该承受的水量。

正文：

FIFO计算问题：

（1）假设FIFO的写时钟为100MHZ，读时钟为80Mhz，在FIFO输入侧，每100个写时钟，写入80个数据，在读数据侧，每个时钟读出一个数据，问FIFO设置为多少FIFO不会溢出？？

[1] 在输入数据背靠背的情况下，进入（ input**）FIFO的数据量：**

进入FIFO的数据量：160个 消耗的时间：160 个 写时钟

[2] 在输入数据背靠背的时间内，输出（ output ）端口输出的数据量 ：

（1）因为输入输出端口的时钟频率不同，所以先把输入数据背靠背的时间换算到输出数据端口的时钟个数：(160 *(1/100MHZ) * / * (1/80MHZ)=128读时钟周期

（2）则输出端口在背靠背输入的时间**内输出的数据：128 *1 = 128个读数据

[3] 则FIFO的深度为：

160 （输入） - 128 （这段时间内的输出） = 32 （内部水池FIFO应该存的）

（2）假设FIFO的写时钟为wclk，读时钟为rclk，在FIFO输入侧，每B个写时钟，写入A个数据，在读数据侧，每Y个时钟读出X个数据，问FIFO设置为多少FIFO不会溢出？？

[1] 在输入数据背靠背的情况下，进入（ input**）FIFO的数据量:**

进入FIFO的数据量：2A ， 消耗的时间：2A * (1 / wclk)

**[2] 在输入数据背靠背的时间内，输出（ output ）端口输出的数据量：

** （1）因为输入输出端口的时钟频率不同，所以先把输入数据背靠背的时间换算到输出数据端口的时钟个数：**

读时钟周期个数 ：(2A * (1 / wclk))* / (1 / rclk)
（2）则输出端口在背靠背输入的时间内输出的数据：

读的数据个数： (2A* (1 / wclk) / (1 / rclk) ** * (X / Y)

[3] 则FIFO的深度为：

输入数据背靠背时间内的输入数据 减去输入数据背靠背时间内的输出数据

2A - [(2A * (1 / wclk)) ** / (1 / rclk)] ** * (X / Y)