FIFO最小深度计算
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1、FIFO最小深度
在数据的传输中当读速率慢于写速率时，FIFO便可被用作系统中的缓冲元件或队列，类似于水流经过一个缓冲区，上游水流速度快，下游水流速度慢，部分水就可以被缓存在中间的缓冲区，但是上游与下游的水速差距过大，就会导致流入中间缓存区的水超出了缓存区承受能力导致水的溢出，不能顺利到达下游。在上游水流速度最大，下游水流速度最小的情况下，中间缓冲区不能溢出的大小就是我们关系的问题。
同理，读写速率差距过大，FIFO深度太小，就会导致一段时间内向FIFO灌输的数据超出了FIFO的承受能力，就会导致数据的丢失，该容量取决于读写数据的速率。所以在写速率最大，读速率最小时，这时正好不导致数据溢出的FIFO的深度就是我们要计算的FIFO最小深度。
FIFO写入速率快，读出速度慢模型：
最简单的写快读慢的实例，FIFO写入一个数据需要1s，读取一个数据需要2s，一共传输6个数据。(下图)
6个数据写入需要时间为：6×1=6 s
6s读取的数据为：6/2=3个
6s FIFO内剩余数据的个数：6-3=3个
6s才能读取3个数据，剩余的数据3个在FIFO中缓冲，在6s的之后的时间才能被缓慢读出。
仔细观察下图(写快读慢)，FIFO中最多存在3个数据，该容量就是FIFO的最小深度。
该FIFO的最小深度 = 6 - 3 = 3（如果深度小于3，则会导致数据丢失）。
总结：要确定FIFO的深度，关键在于计算出在突发读写的这段时间内有多少数据没有被读走。也就是说FIFO的最小深度就等于没有被读走的数据个数。
FIFO写入与读取速度相同：
读数据速率比写数据快，因此FIFO只起到变换时钟域的作用，FIFO最下深度为1即可。
2、示例分析
示例一：
写入速率 > 读取速率
A/D采样率为50MHz，读A/D的速率为40MHZ，要不丢失地将10万个采样数据送入FPGA，在A/D和FPGA之间至少加多大容量（深度）的FIFO才可以？
写一个数据所需的时间为： 1 / 50 M H z = 0.02 × 1 0 − 6 s 1/50MHz=0.02×{10^{ - 6}}s 1/50MHz=0.02×10−6s
写完所有的数据所需的时间为： 100 , 000 × 0.02 × 1 0 − 6 = 0.002 s 100,000×0.02×{10^{ - 6}} = 0.002s 100,000×0.02×10−6=0.002s
读一个数据所需的时间为： 1 / 40 M H z = 0.025 × 1 0 − 6 s 1/40MHz=0.025×{10^{ - 6}} s 1/40MHz=0.025×10−6s
0.002S内读走的数据为： 0.002 / ( 0.025 × 1 0 − 6 ) = 0.08 × 1 0 6 = 80 , 000 0.002/(0.025×{10^{ - 6}}) = 0.08×{10^{ 6}} = 80,000 0.002/(0.025×10−6)=0.08×106=80,000
则FIFO的最小深度为： 100 , 000 − 80 , 000 = 20 , 000 （ 0.002 s 还 没 有 被 读 走 的 数 据 的 个 数 ） 100,000 - 80,000=20,000（0.002s还没有被读走的数据的个数） 100,000−80,000=20,000（0.002s还没有被读走的数据的个数）
（如果读比写慢几拍，则深度比20,000略大）
示例二：
FIFO写入时钟为100MHz，读取时钟为80Mhz，分以下情况分析。
①：传输2000个数据，FIFO最小深度为多少？
100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1 / 100 M H z = 10 n s 1/100MHz=10ns 1/100MHz=10ns
写入2000个数据所需的时间为
2000 × 10 = 20000 n s 2000×10=20000ns 2000×10=20000ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
1 / 80 M H z = 12.5 n s 1/80MHz=12.5ns 1/80MHz=12.5ns
20000ns读出的数据个数为
20000 n s / 12.5 n s = 1600 20000ns / 12.5ns=1600 20000ns/12.5ns=1600
剩余FIFO中没读走的数据个数为
2000 − 1600 = 400 2000-1600=400 2000−1600=400
所以FIFO的最小深度为400。
②：100个时钟写入80个数据，1个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1 / 100 M H z = 10 n s 1/100MHz=10ns 1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
1 / 80 M H z = 12.5 n s 1/80MHz=12.5ns 1/80MHz=12.5ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。
但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：
在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。
写入160个数据所需的时间为
160 × 10 n s = 1600 n s 160×10ns=1600ns 160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600 n s / 12.5 n s = 128 1600ns/12.5ns=128 1600ns/12.5ns=128
FIFO内剩余的数据为
160 − 128 = 32 160-128=32 160−128=32
所以FIFO最小深度为32
③：100个时钟写入80个数据，3个时钟读1个数据，求FIFO的最小深度
100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1 / 100 M H z = 10 n s 1/100MHz=10ns 1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
( 1 / 80 M H z ) × 3 = 12.5 × 3 n s (1/80MHz)×3=12.5×3ns (1/80MHz)×3=12.5×3ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。
但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：
在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。
写入160个数据所需的时间为
160 × 10 n s = 1600 n s 160×10ns=1600ns 160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600 n s / ( 12.5 × 3 ) n s = 42.66 1600ns/(12.5×3)ns=42.66 1600ns/(12.5×3)ns=42.66
FIFO内剩余的数据为
160 − 42.66 = 117.33 160-42.66=117.33 160−42.66=117.33
所以FIFO最小深度为118(FIFO一般设置为2的n次幂(128))。
④：100个时钟写入80个数据，3个时钟读2个数据，求FIFO的最小深度
100MHz时钟写入一个数据需要的时间为
1 / 100 M H z = 10 n s 1/100MHz=10ns 1/100MHz=10ns
80MHz时钟读出一个数据所需的时钟
( 1 / 80 M H z ) × 3 / 2 = 12.5 × 3 / 2 n s (1/80MHz)×3/2=12.5×3/2ns (1/80MHz)×3/2=12.5×3/2ns
100个时钟写入80个数据，可以以下理解，100个时钟包含80个有效写时钟，20个空闲时钟。
但是在什么情况下会出现突发写入数据最多呢，在两个100个时钟，前一个100个时钟的后80个时钟在写数据，后100个时钟的前80个数据在写数据，也就是如下所示：
在这种情况下，以100MHz的时钟一次写入了160个数据。
写入160个数据所需的时间为
160 × 10 n s = 1600 n s 160×10ns=1600ns 160×10ns=1600ns
1600ns读取的数据个数为
1600 n s / ( 12.5 × 3 / 2 n s ) n s = 85.33 1600ns/(12.5×3/2ns)ns=85.33 1600ns/(12.5×3/2ns)ns=85.33
FIFO内剩余的数据为
160 − 42.66 = 74.66 160-42.66=74.66 160−42.66=74.66
所以FIFO最小深度为75(FIFO一般设置为2的n次幂(128))。
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