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格雷码+异步FIFO+跨时钟域处理

格雷码

一、格雷码规律

1. 相邻性：相邻两个数的格雷码只有一位不同，例如：
   • 0000 → 0001（仅最低位变化）
   • 0001 → 0011（仅次低位变化）
   • 0011 → 0010（仅最低位变化）
2. 循环性：首尾两个数（0000和1000）也只有一位不同，适用于环形计数。
3. 对称性（反射特性）：
   • 前一半和后一半的格雷码是镜像对称的。
   • 例如，4位格雷码的前8个和后8个码是镜像对称的，最高位为0和1。
4. 递归生成：
   • n位格雷码可以通过n-1位格雷码生成：
     1. 在n-1位格雷码前补0，得到前一半。
     2. 将n-1位格雷码逆序排列后前补1，得到后一半。

二、4位格雷码的完整序列

以下是4位格雷码的16个值（从0到15的十进制对应）：

0: 0000    8: 1100
1: 0001    9: 1101
2: 0011   10: 1111
3: 0010   11: 1110
4: 0110   12: 1010
5: 0111   13: 1011
6: 0101   14: 1001
7: 0100   15: 1000

三、生成格雷码的技巧

1. 二进制转格雷码

• 公式：
  ​​格雷码 = 二进制码 ^ (二进制码 >> 1)​​
  例如：二进制数0110转换为格雷码：

  二进制：0110
  右移1位：0011
  异或（^）结果：0101 → 格雷码
  

• 硬件实现：
  在Verilog中可以直接用异或逻辑实现：

  gray_code = binary_code ^ (binary_code >> 1);
  

2. 递归生成法

• 步骤：
  1. 1位格雷码：0, 1
  2. 2位格雷码：00, 01, 11, 10
  3. 3位格雷码：在前补0得到000, 001, 011, 010，逆序后补1得到110, 111, 101, 100
  4. 4位格雷码：同理递归生成。

3. 镜像对称性

• 前8个码（0-7）和后8个码（8-15）对称，仅最高位不同。

四、应用技巧

1. 计数器设计：
   使用格雷码计数器可以减少功耗（相邻状态只有一位翻转），常用于低功耗设计。
2. 避免错误传播：
   在异步电路中，格雷码可以避免因多比特同时翻转导致的瞬时错误。（如 FIFO）
3. 环形编码器/解码器：
   格雷码的循环性适合用于旋转编码器（如机械编码盘）。

异步FIFO

双端口RAM设计 → 二进制地址计数器 → 格雷码转换 → 跨时钟域同步 → 满空状态判断 → 控制信号生成

1.双端口RAM设计

• 功能：提供存储单元，支持读写操作在不同时钟域（wclk和rclk）下进行。

• 使用二维数组RAM_MEM实现存储空间。

module ram_mod(input clk,input rst_n,input write_en,input [7:0]write_addr,input [3:0]write_data,input read_en,input [7:0]read_addr,output reg [3:0]read_data
);reg [3:0] mem[0:127];integer i;always @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginfor(i=0;i<128;i=i+1) beginmem[i] <= 4'b0;endendelse if(write_en) beginmem[write_addr] <= write_data;endendalways @(posedge clk or negedge rst_n) beginif(!rst_n)read_data <= 4'b0;else if(read_en)read_data <= mem[read_addr];endendmodule

2.地址计数器与格雷码转换

二进制地址计数器：

• 读写操作分别维护一个二进制计数器（w_binary和r_binary）。
• 写地址递增条件：winc && !wfull（非满时允许写）。
• 读地址递增条件：rinc && !rempty（非空时允许读）。

格雷码转换：

• 二进制地址转换为格雷码（w_addr和r_addr），减少跨时钟域同步时的亚稳态风险。
• 转换公式：gray = binary ^ (binary >> 1)。

	//地址 使用格雷码reg [ADDR_WIDTH:0] w_addr;reg [ADDR_WIDTH:0] r_addr;reg [ADDR_WIDTH:0] w_binary;reg [ADDR_WIDTH:0] r_binary;//二进制转格雷码//assign w_addr = w_binary ^ (w_binary >> 1);;//assign r_addr = r_binary ^ (r_binary >> 1);always @(posedge wclk or negedge wrstn) beginif(!wrstn)w_addr <= 'b0;else   w_addr <= w_binary ^ (w_binary >> 1);endalways @(posedge rclk or negedge rrstn) beginif(!rrstn)r_addr <= 'b0;else   r_addr <= r_binary ^ (r_binary >> 1);end// 二进制计数器always @(posedge wclk or negedge wrstn) beginif(!wrstn)w_binary <= 'b0;else if(winc && !wfull)w_binary <= w_binary + 1'b1;else  w_binary <= w_binary;endalways @(posedge rclk or negedge rrstn) beginif(!rrstn)r_binary <= 'b0;else if(rinc && !rempty)r_binary <= r_binary + 1'b1;else  r_binary <= r_binary;end

3.跨时钟域同步

目的：将读地址同步到写时钟域，写地址同步到读时钟域。

实现：打两拍

在读时钟域进行空状态判断；在写时钟域进行满状态判断。

同步后地址用于满空判断

4.空满状态判断

当读写指针相等时，得出FIFO为空

当写指针比读指针多循环RAM一周时，此时读写指针的最高位和次高位都相反，其余位相同，FIFO为满

assign wfull = (w_addr == {~r_addr_temp2[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1],r_addr_temp2[ADDR_WIDTH-2:0]}) ? 1'b1 : 1'b0;
assign rempty = (w_addr_temp2 == r_addr) ? 1'b1 : 1'b0;

写满（wfull）：

​ 其中~r_addr_temp2[ADDR_WIDTH:ADDR_WIDTH-1],r_addr_temp2[ADDR_WIDTH-2:0]

​ 表示：写指针比读指针多循环RAM一周时，此时读写指针的最高位和次高位都相反，其余位相同

​ 解释：深度为16时，写地址为18（格雷码 11011），读地址为2（格雷码 00011）

读空（rempty）：

​ 同步后的写指针w_addr_temp2与读指针r_addr相等

5.控制信号生成

• 写使能（wen）：wen = winc && !wfull（非满且请求写时有效）。
• 读使能（ren）：ren = rinc && !rempty（非空且请求读时有效）。
• 直接控制RAM的读写操作。

跨时钟域处理

https://blog.csdn.net/emperor_strange/article/details/82491085?utm_source=app

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwNTIwNTA2NA==&mid=2247484703&idx=1&sn=78bc0a3dd5b8bffa6972e3b40b1dd43b&chksm=c14480d45c29cb0ddf7f2b0cecba84d6b79d0e21f28d2ba1eeb049fe664f1a89234c0ca15df6#rd

• 处理亚稳态的方法：

  多级寄存器

  异步FIFO缓存

分为从快到慢、从慢到快两种情况。

1.从快到慢

​ 参考牛客网编程题VL49 脉冲同步电路 ，将快时钟域的脉冲信号扩展为电平信号，

​ 检测 data_in 信号的边沿，作为电平信号的判断条件。

`timescale 1ns/1nsmodule test(input 				clk_fast	, input 				clk_slow	,   input 				rst_n		,input				data_in		,output  		 	dataout
);//检测边沿reg data_in_temp1,data_in_temp2;wire data_in_pos;assign data_in_pos = data_in_temp1 & !data_in_temp2;always @(posedge clk_fast or negedge rst_n) beginif(!rst_n) begindata_in_temp1 <= 1'b0;data_in_temp2 <= 1'b0;endelse begindata_in_temp1 <= data_in;data_in_temp2 <= data_in_temp1;endend//脉冲转电平reg active;always @(posedge clk_fast or negedge rst_n) beginif(!rst_n) active <= 1'b0;else if(data_in_pos)active <= !active;else  active <= active;end	//在慢时钟打两拍reg active_temp1,active_temp2;always @(posedge clk_slow or negedge rst_n) beginif(!rst_n) beginactive_temp1 <= 1'b0;active_temp2 <= 1'b0;endelse beginactive_temp1 <= active;active_temp2 <= active_temp1;endendassign dataout = active_temp1 ^ active_temp2;endmodule

脉冲电平转换——打两拍——边沿检测

2.从慢到快

“打两拍”+边沿检测

​ 将慢时钟域信号通过快时钟的连续两级触发器同步。第一级触发器采样可能进入亚稳态，第二级触发器显著降低亚稳态传播概率。