無論是數據通訊或者SOC（包括FPGA或者ASIC設計）設計，跨時鐘域（clock domain crossing）處理都是一件讓人很頭疼的事情，無論是在設計的前端或者步入設計的后端，都沒有很好的工具去做保證，只能靠設計人員的經驗進行最大的保證，然而這個問題如果處理不好，你的整個設計可能就完全報廢，而最怕的是你的設計時好時壞，有時穩定，有時出錯，這個時候你甚至很難進行定位（尤其是上了FPGA開發板或者芯片已經tapout了）。

一般而言，處理跨時鐘域的方法有這么幾種（大家在網上也都能找到資料，這些資料大都來自幾篇經典的論文，中文方面的資料大都是翻譯過著理解這幾篇論文而來）：少量的數據用邊沿檢測電路，或者脈沖檢測電路，或者電平檢測電路，或者兩級觸發器；比較多的數據時用異步FIFO。

本文側重講解本人對異步FIFO的深入理解，講解兩種經典的異步FIFO的設計方案，這兩種方案來自一篇文章《simulation and synthesis techniques for asynchronous FIFO design》，大家可自行下載，設計思路這篇文章里面介紹的很詳細，解釋的也很出色，我更多的是談談我的部分理解。

1、異步FIFO設計的難點在哪里

1）寫地址和讀地址處于不同的時鐘域，如何比對寫地址和讀地址才能正確的產生空滿信號；

2）當讀寫地址相同時，究竟是讀空了還是寫滿了（因為存在你追我趕的情況，類似于一個圓環）。

2、處理思路

1）對于難點1大家自然想到采用同步處理的方式，具體為將寫地址或者讀地址同步（例如利用兩級觸發器）到對方的時鐘域中，在相同的時鐘域中進行地址的比對，但是由于寫地址和讀地址很多時候并不止1bit,同時進行同步處理會增大錯誤的概率（如地址按0111->1000跳變，此時4bit都在變化，DFF進行同步時就很容易出錯），因而可以先將地址（二進制的）轉換為格雷碼（相鄰數據之間只有一個bit在變化），然后再進行同步，最后進行對比，這樣會大大減少錯誤的概率。

2）對于難點2可以在地址前面添加1bit用于標志位進行區分，例如復位時，讀寫地址的標志位都是0，如果寫完1輪而開始新的一輪時就將寫地址的標志位換為1（讀也同樣道理變換），這樣可以通過判斷標志位加上對比地址判斷是空還是滿，具體為當讀寫地址的標志位相同讀寫地址相同時為讀空，具體為當讀寫地址的標志位不同讀寫地址相同時為寫滿；另外也可以利用格雷碼的最高兩位00->01->10->11進行相位的區分，具體參考我給出的文章或者網絡資料，其實本質上和上面的是一個道理。

3、經典FIFO設計方案的解讀

1）同步讀寫地址（經格雷碼轉換后）到對方的時鐘域

相比于直接同步二信號進制地址（先用握手，然后同步二進制地址）好處是格雷碼相鄰數據之間只有一個bit在變化，而二進制由于寫地址和讀地址很多時候并不止1bit,同時進行同步處理會增大錯誤的概率（如地址按0111->1000跳變，此時4bit都在變化，DFF進行同步時就很容易出錯）；利用格雷碼進行同步，即使發生同步的時出錯也不會造成overrun和underrun的情況（因為同步后的數據必定小于等于同步前的數據，即只可能1被同步為0,而不可能0被同步為1），例如當前的讀地址到了6,寫地址到了8,地址8經過同步后出錯而變成了6,這時會出現地址相同而判斷為讀空，不過沒關系，讀空則不讀，至少不會出現underrun的情況，隨著時間的推移地址8總會被采樣到；然而格雷碼也有缺點，只能連續變化遞增或者遞減（如果間隔變化就不符合格雷碼的特點了），所以設計的深度必須是2的n次冪，如果不是的話，需要重新產生編碼格雷碼，否則也會出現間隔變化不符合相鄰之間只有1bit變化的特點。

2）將讀寫地址（經格雷碼轉換后）同步到一個組合邏輯電路中（異步比較）直接比較空滿，然后將空滿信號同步到各自對應的模塊中

雖然這種電路會給fifo帶來不好的狀態，例如已經滿了wfull==1,但是這個時候讀走一個數據，由于同步的延時性，導致這一段時間內wfull==1一直不變（如果沒有同步帶來的延時應該變為0的），rempty也會遇到同樣的問題，但是這種電路不會出現underrun和overrun的情況。

3）2）相比1）可能會節省面積，因為1）同步wptr[n-1:0]和rptr[n-1:0],2）只需要同步afull_n,aempty_n;1）的速率可能較2）會快些，2）中存在異步且組合邏輯比較，不利于時序的優化。