上一篇介紹了利用Flip Flop來(lái)作為存儲(chǔ)單元的同步FIFO設(shè)計(jì)。這一篇咱們來(lái)看如何利用2 Port SRAM來(lái)作為存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì)同步FIFO。

開始往下讀之前，老李先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題，假如現(xiàn)在讓你設(shè)計(jì)一個(gè)深度為N的基于2port SRAM的同步FIFO，請(qǐng)問(wèn)至少需要多大的SRAM？ 假設(shè)SRAM的位寬就是你的數(shù)據(jù)寬度，那么問(wèn)題就是問(wèn)你需要的SRAM的行數(shù)至少是多少？如果你覺(jué)得答案是顯而易見的N，那么你值得讀完這一篇。

首先來(lái)說(shuō)為什么要用SRAM設(shè)計(jì)FIFO，很簡(jiǎn)單為了省面積。我們說(shuō)存1bit的數(shù)據(jù)，SRAM里一個(gè)bit cell經(jīng)典結(jié)構(gòu)是6個(gè)晶體管，而一個(gè)flip flop需要的晶體管在20個(gè)左右，那么從面積上來(lái)說(shuō)，肯定是SRAM小對(duì)吧？但是這里面有個(gè)平衡點(diǎn)，對(duì)于一塊SRAM，算面積的時(shí)候不能僅僅算里面存儲(chǔ)單元bit cell的面積，還要算外圍的decode邏輯的面積。當(dāng)SRAM的row size x column size比較小的時(shí)候，外圍的decode邏輯占的比重比較大，反而這個(gè)時(shí)候SRAM的總面積不如row x column個(gè)flop的面積小。至于這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)要看工藝和memory compiler的data sheet，具體面積要拿SRAM的data sheet去比較。老李自己總結(jié)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)，不保證完全準(zhǔn)確，在5nm工藝下，這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)大概在2k bit，低于2k bit，比如16x32的大小，那還是Flop劃算，如果遠(yuǎn)大于2k bit，那么就用SRAM，差不多在2-3k bit量級(jí)的時(shí)候要根據(jù)memory datasheet里的area number來(lái)比較。

再來(lái)說(shuō)說(shuō)什么是2 port SRAM，2 port 通常也被稱作dual port，一個(gè)端口為寫端口，一個(gè)端口為讀端口。這兩個(gè)端口可以同時(shí)工作，同一個(gè)周期內(nèi)既可以讀，也可以寫，簡(jiǎn)化的框圖如下圖所示

WCEN：Write Chip Enable Neg，當(dāng)這個(gè)信號(hào)為0的時(shí)候，要寫入數(shù)據(jù)

WDATA: 要寫入的數(shù)據(jù)

WADDR：要寫入的地址

RCEN：Read Chip Enable Neg，當(dāng)這個(gè) 信號(hào)為0的時(shí)候，要讀出數(shù)據(jù)

RDATA: 讀出的數(shù)據(jù)

RADDR: 讀出的地址

這里要注意，要寫入的數(shù)據(jù)是指WCEN為0那個(gè)周期的WDATA，而讀出的數(shù)據(jù)并不是RCEN為0那個(gè)周期的RDATA，而是下一個(gè)周期的RDATA。

時(shí)序圖如下圖所示

可以看到，cycle 1進(jìn)行寫操作，在地址A0寫入數(shù)據(jù)D0。在cycle 2進(jìn)行讀操作，要在cycle 3才能讀出D0。那你一定好奇如果給同一個(gè)地址在同一個(gè)周期又讀又寫怎么辦呢？這個(gè)不同的foundary的sram可以有不同的實(shí)現(xiàn)，這里表示的是一個(gè)較為常見的實(shí)現(xiàn)，看cycle 7，讀寫同時(shí)發(fā)生并且在同一個(gè)地址，在cycle 8讀出的還是之前寫入在這個(gè)地址的數(shù)據(jù)D0，而不是cycle 7寫入的新數(shù)據(jù)D1。只有再讀一次A0，你才能看到D1。

下面我們來(lái)考慮如何設(shè)計(jì)基于2port SRAM的同步FIFO。既然FIFO有push和pop端，也有wdata和rdata，那剛好對(duì)應(yīng)SRAM的write port和read port，看起來(lái)我們大概只需要直接把SRAM包起來(lái)，用兩個(gè)計(jì)數(shù)器來(lái)分別計(jì)算write pointer和read pointer就可以了，如下圖所示

真的這么簡(jiǎn)單嗎？我們來(lái)思考一個(gè)問(wèn)題，用上面的FIFO來(lái)存第一個(gè)數(shù)D0，利用上面的結(jié)構(gòu)，q能夠在push的下一個(gè)周期變?yōu)镈0嗎？

回顧一下我們想要的FIFO的時(shí)序

在cycle1的時(shí)候我們push D0，我們期望Q在cycle 2的時(shí)候就可以輸出FIFO最頭上的數(shù)D0，而且注意，這個(gè)時(shí)候我們并沒(méi)有進(jìn)行pop操作。

可是從上面SRAM的時(shí)序圖我們可以看到，要想讓RDATA輸出D0，我們至少要讓RCEN為0一個(gè)周期，而且RCEN為0必須得在WCEN為0之后，讓RDATA拿到D0最快也到了WCEN之后的2個(gè)周期，因而不滿足在PUSH之后下一個(gè)周期Q就輸出D0。

另外還有個(gè)問(wèn)題，當(dāng)我們push進(jìn)去一個(gè)數(shù)之后，如果這個(gè)數(shù)寫入了SRAM，那么我們必須要有一次讀SRAM的操作，才能把數(shù)讀出來(lái)，這在上面的框圖里也就是要執(zhí)行一次pop。這也和FIFO的工作相背離，因?yàn)镕IFO可能并不是需要立刻pop。

那么我們?cè)趺醋霾拍茏孮在push的下一個(gè)周期輸出D0呢？環(huán)顧四周，好像除了利用Flip Flop也沒(méi)有別的辦法了。也就是說(shuō) ，第一個(gè)數(shù)我們把數(shù)不寫進(jìn)SRAM，而是寫到一個(gè)Flop里，然后讓Q從Flop輸出 。

等等，說(shuō)好了用SRAM來(lái)存數(shù)據(jù)的，怎么又把數(shù)據(jù)存到Flop里面去了呢？

別急，這里確實(shí)是沒(méi)有辦法的辦法，如果我們有可以和Flop時(shí)序一樣的SRAM，那么也可以不用這種辦法，但是在接受SRAM的時(shí)序是這樣的情況下，我們必須借助Flop來(lái)實(shí)現(xiàn)第一個(gè)數(shù)在push之后下一個(gè)周期就能夠出現(xiàn)在Q上。

當(dāng)然，我們不是說(shuō)所有的數(shù)都要用Flop來(lái)存，接下來(lái)push的數(shù)據(jù)我們還是要放在SRAM里面的，我們把上面的結(jié)構(gòu)改一改，可以先設(shè)計(jì)出下面的FIFO結(jié)構(gòu)。

在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，我們從D可以直接把數(shù)據(jù)存到輸出級(jí)的這個(gè)Flop中，相當(dāng)于bypass了SRAM，然后我們的想法是：當(dāng)?shù)诙蝡ush的時(shí)候，我們?cè)侔褦?shù)據(jù)存到SRAM里，同時(shí)，當(dāng)我們把第一個(gè)數(shù)據(jù)pop出來(lái)之后，我們就把數(shù)據(jù)從SRAM里拿到這個(gè)輸出級(jí)的Flop中，這樣是不是就對(duì)了呢？

不好意思，其實(shí)還是有問(wèn)題，我們假設(shè)FIFO里面已經(jīng)存了2個(gè)數(shù)據(jù)，D0存在輸出級(jí)的Flop里，D1存在SRAM里，如下圖所示

那么當(dāng)我們要pop一次之后，我們期望的FIFO的時(shí)序是：在pop的下一個(gè)周期，Q就應(yīng)該是D1了，因?yàn)镈0被彈出，F(xiàn)IFO最頭上的數(shù)是D1了。如下圖所示

但是如果在pop為1的那個(gè)周期去讀SRAM，則要在下一個(gè)周期RDATA才能讀出D1，再還需要一個(gè)周期才能把D1存到輸出級(jí)的Flop上，也就是pop之后兩個(gè)周期才能看到D1， 這樣就不滿足FIFO的時(shí)序了。

那怎么辦呢？我們只好省去把D1從RDATA存到Flop上的那一步，而是把RDATA當(dāng)做Q來(lái)直接輸出。電路結(jié)構(gòu)變成了下面

我們的設(shè)計(jì)思路就變成了

1. 往FIFO里push的第一個(gè)數(shù)要bypass SRAM，把數(shù)據(jù)直接存到輸出級(jí)Flop去。
2. 如果SRAM里面存了數(shù)，那么pop一次，就要把RDATA直接輸出到Q端。

看起來(lái)沒(méi)有問(wèn)題了吧？其實(shí)還有一個(gè)特殊情況沒(méi)有考慮到，也就是當(dāng)FIFO里只有一個(gè)數(shù)據(jù)，而在push下一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候同時(shí)來(lái)了pop。如下圖所示

那么這個(gè)時(shí)候要push的D1是不能往SRAM里寫的，一旦寫進(jìn)去要讀出來(lái)還得多花一個(gè)周期，所以這個(gè)時(shí)候也是要bypass SRAM。

所以更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臈l件是

1. 往FIFO里push的第一個(gè)數(shù)要bypass SRAM， 或者FIFO里只有1個(gè)數(shù)據(jù)，而且在push新數(shù)據(jù)的同時(shí)pop ，那么把數(shù)據(jù)直接存到輸出級(jí)Flop去。
2. 當(dāng)FIFO里只有一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)候，Q端來(lái)自于輸出級(jí)Flop
3. 如果SRAM里面存了數(shù)，那么pop一次，就要把RDATA直接輸出到Q端。

至此，我們利用一級(jí)flip flop來(lái)實(shí)現(xiàn)了省去一個(gè)讀SRAM的周期，可以實(shí)現(xiàn)FIFO的時(shí)序。

現(xiàn)在可以回答文章開頭的問(wèn)題了，因?yàn)橛辛溯敵黾?jí)Flop來(lái)存第一個(gè)數(shù)據(jù)，那么SRAM其實(shí)并不需要存N個(gè)數(shù)據(jù)，只需要存N-1個(gè)數(shù)據(jù)就好了。但是在實(shí)際工作中，Width x N 和Width x (N-1)的面積其實(shí)沒(méi)有差很多，你用Width xN的SRAM完全沒(méi)有問(wèn)題。當(dāng)然要注意，這個(gè)時(shí)候memory 的address pointer和我們上一講里的wr_ptr, rd_ptr就不是完全一樣了，因?yàn)榈谝粋€(gè)數(shù)據(jù)并不是存在SRAM里。

寫到這里，是不是就完全搞定問(wèn)題了呢？我們來(lái)分析一下，我們這樣設(shè)計(jì)可行其實(shí)是有一個(gè)前提，即SRAM的RDATA的timing是下面的。這里把開頭的圖再看一遍

我們說(shuō)FIFO的Q在不pop的時(shí)候是穩(wěn)定不變的，是利用了這里SRAM的特性，即讀完一次之后，RDATA的值會(huì)保持不變，一直到下一次讀操作（圖中的cycle 3-7)，這樣我們就可以直接把RDATA輸出到Q。

但是并不是所有廠家的SRAM的時(shí)序是這樣的，大家要看廠家的memory的datasheet來(lái)確認(rèn)時(shí)序（TSMC家的是這樣的， 但是可能別的廠家并不保證）如果SRAM時(shí)序是下面這樣，那么我們的設(shè)計(jì)就不能滿足FIFO的要求了

而且上面的設(shè)計(jì)可能還有一個(gè)STA上的問(wèn)題，因?yàn)镼來(lái)自于RDATA，那么SRAM內(nèi)部的clock-to-rdata的timing可能比較大，這樣給后面FIFO輸出的Q后面所留有的空間就比較小了。如果Q之后還要做邏輯運(yùn)算，或者再下一級(jí)Flop距離比較遠(yuǎn)，那么修timing的時(shí)候就比較挑戰(zhàn)。

要解決上面兩個(gè)問(wèn)題，一個(gè)必然的思路是不能直接輸出RDATA到Q，還是要把RDATA給flop住，這樣一方面使得輸出Q可以保持穩(wěn)定，另一方面，這一級(jí)flop依然在FIFO內(nèi)部，從Flop直接輸出對(duì)于FIFO后級(jí)的timing有幫助。你看，兜兜轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，似乎還是要回到我們前面要斃掉的方案。那么我們要怎么設(shè)計(jì)，才能解決前面那個(gè)方案不滿足FIFO時(shí)序要求的缺陷呢？大家可以自己先思考一下，老李下篇再帶來(lái)更深入的講解。