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First Input First Output的缩写，先入先出队列，这是一种传统的按序执行方法，先进入的指令先完成并引退，跟着才执行第二条指令。

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　在计算机中，先入先出队列是一种传统的按序执行方法，先进入的指令先完成并引退，跟着才执行第二条指令（指令就是计算机在响应用户操作的程序代码，对用户而言是透明的）。如图1所示，当CPU在某一时段来不及响应所有的指令时，指令就会被安排在FIFO队列中，比如0号指令先进入队列，接着是1号指令、2号指令……当CPU完成当前指令以后就会从队列中取出0号指令先行执行，此时1号指令就会接替0号指令的位置，同样，2号指令、3号指令……都会向前挪一个位置，这样解释大家清楚了吧？

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　　First Input First Output的缩写，先入先出队列，这是一种传统的按序执行方法，先进入的指令先完成并引退，跟着才执行第二条指令。

　　FIFO简介

　　图1 先进先出队列FIFO是队列机制中最简单的，每个接口上都存在FIFO队列，表面上看FIFO队列并没有提供什么QoS（Quality of Service，服务质量）保证，甚至很多人认为FIFO严格意义上不算做一种队列技术，实则不然，FIFO是其它队列的基础，FIFO也会影响到衡量QoS的关键指标：报文的丢弃、延时、抖动。既然只有一个队列，自然不需要考虑如何对报文进行复杂的流量分类，也不用考虑下一个报文怎么拿、拿多少的问题，而且因为按顺序取报文，FIFO无需对报文重新排序。简化了这些实现其实也就提高了对报文时延的保证。FIFO关心的就是队列长度问题，队列长度会影响到时延、抖动、丢包率。因为队列长度是有限的，有可能被填满，这就涉及到该机制的丢弃原则。常见的一个丢弃原则叫做Tail Drop机制。简单地说就是该队列如果已经满了，那么后续进入的报文被丢弃，而没有什么机制来保证后续的报文可以挤掉已经在队列内的报文。在这种机制中，如果定义了较长的队列长度，那么队列不容易填满，被丢弃的报文也就少了，但是队列长度太长了会出现时延的问题，一般情况下时延的增加会导致抖动也增加。如果定义了较短的队列，时延的问题可以得到解决，但是发生Tail Drop的报文就变多了。

　　FIFO队列原理简述

　　FIFO队列不对报文进行分类，当报文进入接口的速度大于接口能发送的速度时，FIFO按报文到达接口的先后顺序让报文进入队列，同时，FIFO在队列的出口让报文按进队的顺序出队，先进的报文将先出队，后进的报文将后出队。FIFO队列具有处理简单，开销小的优点。但FIFO不区分报文类型，采用尽力而为的转发模式，使对时间敏感的实时应用（如VoIP）的延迟得不到保证，关键业务的带宽也不能得到保证。

　　使用FIFO

　　FIFO一般用于不同时钟域之间的数据传输，比如FIFO的一端是AD数据采集，另一端是计算机的PCI总线，假设其AD采集的速率为16位 100K SPS，那么每秒的数据量为100K×16bit=1.6Mbps，而PCI总线的速度为33MHz，总线宽度32bit，其最大传输速率为1056Mbps，在两个不同的时钟域间就可以采用FIFO来作为数据缓冲。另外对于不同宽度的数据接口也可以用FIFO，例如单片机位8位数据输出，而DSP可能是16位数据输入，在单片机与DSP连接时就可以使用FIFO来达到数据匹配的目的。

　　重要参数

　　FIFO的宽度：也就是英文资料里常看到的THE WIDTH，它指的是FIFO一次读写操作的数据位，就像MCU有8位和16位，ARM32位等等，FIFO的宽度在单片成品IC中是固定的，也有可选择的，如果用FPGA自己实现一个FIFO，其数据位，也就是宽度是可以自己定义的。

　　FIFO的深度：THE DEEPTH，它指的是FIFO可以存储多少个N位的数据（如果宽度为N）。如一个8位的FIFO，若深度为8，它可以存储8个8位的数据，深度为12 ，就可以存储12个8位的数据，FIFO的深度可大可小，个人认为FIFO深度的计算并无一个固定的公式。在FIFO实际工作中，其数据的满/空标志可以控制数据的继续写入或读出。在一个具体的应用中不可能由一些参数精确算出所需的FIFO深度为多少，这在写速度大于读速度的理想状态下是可行的，但在实际中用到的FIFO深度往往要大于计算值。一般来说根据电路的具体情况，在兼顾系统性能和FIFO成本的情况下估算一个大概的宽度和深度就可以了。而对于写速度慢于读速度的应用，FIFO的深度要根据读出的数据结构和读出数据由那些具体的要求来确定。

　　满标志：FIFO已满或将要满时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO的写操作继续向FIFO中写数据而造成溢出（overflow）。

　　空标志：FIFO已空或将要空时由FIFO的状态电路送出的一个信号，以阻止FIFO的读操作继续从FIFO中读出数据而造成无效数据的读出（underflow）。

　　读时钟：读操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时读数据。

　　写时钟：写操作所遵循的时钟，在每个时钟沿来临时写数据。

　　读指针：指向下一个读出地址。读完后自动加1。

　　写指针：指向下一个要写入的地址的，写完自动加1。

　　读写指针其实就是读写的地址，只不过这个地址不能任意选择，而是连续的。

　　4．FIFO的分类

　　根据FIFO工作的时钟域，可以将FIFO分为同步FIFO和异步FIFO。同步FIFO是指读时钟和写时钟为同一个时钟。在时钟沿来临时同时发生读写操作。异步FIFO是指读写时钟不一致，读写时钟是互相独立的。

　　5．FIFO设计的难点

　　FIFO设计的难点在于怎样判断FIFO的空/满状态。为了保证数据正确的写入或读出，而不发生溢出或读空的状态出现，必须保证FIFO在满的情况下，不能进行写操作。在空的状态下不能进行读操作。怎样判断FIFO的满/空就成了FIFO设计的核心问题。由于同步FIFO几乎很少用到，这里只描述异步FIFO的空/满标志产生问题。

　　在用到触发器的设计中，不可避免的会遇到亚稳态的问题（关于亚稳态这里不作介绍，可查看相关资料）。在涉及到触发器的电路中，亚稳态无法彻底消除，只能想办法将其发生的概率将到最低。其中的一个方法就是使用格雷码。格雷码在相邻的两个码元之间只由一位变换（二进制码在很多情况下是很多码元在同时变化）。这就会避免计数器与时钟同步的时候发生亚稳态现象。但是格雷码有个缺点就是只能定义2^n的深度，而不能像二进制码那样随意的定义FIFO的深度，因为格雷码必须循环一个2^n，否则就不能保证两个相邻码元之间相差一位的条件，因此也就不是真正的格雷码了。第二就是使用冗余的触发器，假设一个触发器发生亚稳态的概率为P，那么两个级联的触发器发生亚稳态的概率就为P的平方。但这会导致延时的增加。亚稳态的发生会使得FIFO出现错误，读/写时钟采样的地址指针会与真实的值之间不同，这就导致写入或读出的地址错误。由于考虑延时的作用，空/满标志的产生并不一定出现在FIFO真的空/满时才出现。可能FIFO还未空/满时就出现了空/满标志。这并没有什么不好，只要保证FIFO不出现overflow or underflow 就OK了。

　　很多关于FIFO的文章其实讨论的都是空/满标志的不同算法问题。

　　在Vijay A. Nebhrajani的《异步FIFO结构》一文中，作者提出了两个关于FIFO空/满标志的算法。

　　第一个算法：构造一个指针宽度为N+1，深度为2^N字节的FIFO（为方便比较，将格雷码指针转换为二进制指针）。当指针的二进制码中最高位不一致而其它N位都相等时，FIFO为满（在Clifford E. Cummings的文章中以格雷码表示是前两位均不相同，而后两位LSB相同为满，这与换成二进制表示的MSB不同其他相同为满是一样的）。当指针完全相等时，FIFO为空。这也许不容易看出，举个例子说明一下：一个深度为8字节的FIFO怎样工作（使用已转换为二进制的指针）。FIFO_WIDTH=8，FIFO_DEPTH= 2^N = 8，N = 3，指针宽度为N+1=4。起初rd_ptr_bin和wr_ptr_bin均为“0000”。此时FIFO中写入8个字节的数据。wr_ptr_bin =“1000”，rd_ptr_bin=“0000”。当然，这就是满条件。现在，假设执行了8次的读操作，使得rd_ptr_bin =“1000”，这就是空条件。另外的8次写操作将使wr_ptr_bin 等于“0000”，但rd_ptr_bin 仍然等于“1000”，因此FIFO为满条件。

　　显然起始指针无需为“0000”。假设它为“0100”，并且FIFO为空，那么8个字节会使wr_ptr_bin =“1100”，， rd_ptr_bin 仍然为“0100”。这又说明FIFO为满。

　　在Vijay A. Nebhrajani的这篇《异步FIFO结构》文章中说明了怎样运用格雷码来设置空满的条件，但没有说清为什么深度为8的FIFO其读写指针要用3+1位的格雷码来实现，而3+1位的格雷码可以表示16位的深度，而真实的FIFO只有8位，这是怎么回事？而这个问题在Clifford E. Cummings的文章中得以解释。三位格雷码可表示8位的深度，若在加一位最为MSB，则这一位加其他三位组成的格雷码并不代表新的地址，也就是说格雷码的0100表示表示7，而1100仍然表示7，只不过格雷码在经过一个以0位MSB的循环后进入一个以1为MSB的循环，然后又进入一个以0位MSB的循环，其他的三位码仍然是格雷码，但这就带来一个问题，在0100的循环完成后，进入1000，他们之间有两位发生了变换，而不是1位，所以增加一位MSB的做法使得该码在两处：0100~1000，1100~0000有两位码元发生变化，故该码以不是真正的格雷码。增加的MSB是为了实现空满标志的计算。Vijay A. Nebhrajani的文章用格雷码转二进制，再转格雷码的情况下提出空满条件，仅过两次转换，而Clifford E. Cummings的文章中直接在格雷码条件下得出空满条件。其实二者是一样的，只是实现方式不同罢了。

　　第二种算法：Clifford E. Cummings的文章中提到的STYLE#2。它将FIFO地址分成了4部分，每部分分别用高两位的MSB 00 、01、 11、 10决定FIFO是否为going full 或going empty （即将满或空）。如果写指针的高两位MSB小于读指针的高两位MSB则FIFO为“几乎满”，

　　若写指针的高两位MSB大于读指针的高两位MSB则FIFO为“几乎空”。

　　在Vijay A. Nebhrajani的《异步FIFO结构》第三部分的文章中也提到了一种方法，那就是方向标志与门限。设定了FIFO容量的75%作为上限，设定FIFO容量的25%为下限。当方向标志超过门限便输出满/空标志，这与Clifford E. Cummings的文章中提到的STYLE #2可谓是异曲同工。他们都属于保守的空满判断。其实这时输出空满标志FIFO并不一定真的空/满。

　　说到此，我们已经清楚地看到，FIFO设计最关键的就是产生空/满标志的算法的不同产生了不同的FIFO。但无论是精确的空满还是保守的空满都是为了保证FIFO工作的可靠。

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