异步FIFO相关面试问题

又到了一年一度的招聘季节，有粉丝私信问了一个问题，一个关于以前流传出来的大厂面试的题目，个人觉得算是比较经典的题目，也是工作中经常遇到的一个问题，所以准备写一篇回答下。

题目内容

有一个数据需要从A时钟域同步到B时钟域，数据位宽是512bit的，但是考虑到其他原因，目前只允许使用256bit异步FIFO（已经考虑空度满写的保护），因此设计了一个方案，如下图所示，请问该方案有什么问题？如何优化？

分析

通过上图我们可以看到，512bit的数据，被分成了2组256bit的数据，采用同一个写使能信号写入到2个不同的异步FIFO中。在读这一侧，通过一个FIFO的空信号，同时将2个FIFO中的数据读出来。乍一看起来好像没有什么问题，且仿真的话，也不会有问题。但是在实际芯片中却不是这么回事。主要的错误就是误认为完全相同的异步FIFO在空、满信号状态上表现也一样。

我们知道异步FIFO的空满信号是通过格雷码地址经过转换后比较得到的，而格雷码在穿越异步时钟域的时候，由于亚稳态，有可能造成穿越的结果出现延迟。如下图所示，在t1时刻，写地址的格雷码已经由00变成01，即写入了一个数据。读时钟r_clk在采样的过程中，由于亚稳态写地址同步后，可能得到01，或者00，如果得到01，那么在t2时刻empty信号就可以拉低了，如果是00，那么在t2时刻empty不会拉低，需要在t3时刻拉低。

一句话总结，对于2个完全一样的异步FIFO，即使同时写入数据，在读时钟域，empty信号的产生也是不一样的，同样，在写时钟域，full信号的产生也是不一样的。

解决方案

这个问题的解决方案其实很简单，写入测，ready_o信号的产生不能只使用fifo_1的满信号，也要使用fifo_2的满信号，即ready_o = full1_n & full2_n(full低电平有效)。同理，在读数据的时候，不能只看fifo_1是否空，必须是2个fifo都不空的时候才可能读数据。

总结

其实上面这个题目在实际项目是经常用到的。2个FIFO被同时写入的时候，默认为2个FIFO是同时不空的，通过上面的分析，我们知道异步FIFO不是这么回事，那同步FIFO呢？理论上来讲，同步FIFO是同时不空的。但是不同厂家设计的FIFO，其特性可能也有差异，从代码的可移植性和可靠性来讲，也不建议采用一个FIFO为空就推断另一个FIFO也为空的方案，必须严格遵守：使用哪个FIFO，就要使用它的空、满信号。