（原创声明：该文是作者的原创，面向对象是FPGA入门者，后续会有进阶的高级教程。宗旨是让每个想做FPGA的人轻松入门，作者不光让大家知其然，还要让大家知其所以然！每个工程作者都搭建了全自动化的仿真环境，只需要双击top_tb.bat文件就可以完成整个的仿真（前提是安装了modelsim），降低了初学者的门槛。如需整个工程请留言（WX：Blue23Light），不收任何费用，但是仅供参考，不建议大家获得资料后从事一些商业活动！）

上节课格雷码的编码，格雷码适用于连续变化的信号，比如递增和递减，这样一次只有一位信号反转变化，在跨时钟域同步时减低了同步的难度。

下面我们考虑一下格雷码应用的场景，在异步RAM中，读数据和写数据可以是不同的时钟域，读写地址信号都是连续变化的，有时候写时钟域要知道读时钟域的地址，以判断RAM是不是要写满了；有时候读时钟域要知道写时钟域的地址，以判断RAM是不是要被读空了；上述的情况下都需要两个不同时钟域的地址信号进行同步，用格雷码是最好的选择。

我们来看一下异步RAM的接口，主要有读写时钟信号，读写使能信号，读写地址信号，读写数据信号。

再看看异步FIFO的接口，主要有读写时钟信号，读写使能信号，读写数据信号，还有就是标志信号full和empty，表示FIFO是满还是空。从信号上来说FIFO的信号要比RAM的信号少，主要是少了读写地址信号，所以控制相对也简单很多。对异步FIFO的控制，在FIFO非满的情况下（full未拉高）就可以写入新的数据；在FIFO非空的情况下（empty未拉高）就可以读出新的数据。所异步FIFO就是在异步RAM的基础上，通过读写地址信号产生空满信号。下面我们就在异步RAM的基础上来实现异步FIFO。

如下是异步RAM实现异步FIFO的框图，思路很简单，写地址信号格雷码编码后由写时钟域同步到读时钟域，然后格雷码解码，和读地址信号产生空EMPTY信号；读地址信号格雷码编码后由读时钟域同步到写时钟域，然后格雷码解码，和写地址信号产生满FULL信号。当然也可以设定来产生快满（nearly_full），快空（nearly_empty）信号，FPGA程序里面有涉及。

下面用FPGA来实现异步FIFO。接口信号如下所示，和异步FIFO接口信号一致。设置了两个参数，lower_threshold来指示FIFO内的数据的下限值，当FIFO内的数据少于这个值几乎空nearly_empty信号就会拉高，upper_threshold来指示FIFO内的数据的上限值，当FIFO内的数据多于这个值几乎满nearly_full信号就会拉高。

当有新的数据要写入RAM，产生写使能wr_enable，写数据dina和写地址addra信号，保证数据可以写入RAM。

写地址信号格雷码编码，读时钟域clk_rd的读地址信号格雷码编码后同步到写时钟域clk_wr，采用3级打拍的方式进行同步，然后对同步后的读地址信号进行格雷码解码，最后将写地址信号和同步解码后的读地址信号相减，根据差值wr_occupancy来判断RAM是快写满了nearly_full还是已经写满了FULL。

同理在读时钟域clk_rd产生读使能信号rd_enable，读地址信号addrb，并将读地址信号进行格雷码编码。写时钟域clk_wr的写地址信号格雷码编码后同步到读时钟域clk_rd，采用3级打拍的方式进行同步。

然后对同步后的写地址信号进行格雷码解码，最后将同步后的写地址信号和读地址信号相减，根据差值rd_occupancy来判断RAM是快读空了nearly_empty还是已经读空了EMPTY。最后是例化异步RAM，将RAM的读数据和使能输出即可。

在仿真文件中产生递增数，按照FIFO的常规操作进行控制，非满就写，非空就读，如下所示。

双击sim目录下的top_tb.bat文件，如下所示。

首先看一下写时钟快于读时钟的仿真波形。由于写时钟快于读时钟，RAM很快就会写满了，后续是RAM被读一个数据才能写入一个数据，仿真结果和分析一致。

再看一下写时钟慢于读时钟的仿真，由于写时钟满于读时钟，RAM很快就会读空了，后续是RAM写入一个数据才能被读出一个数据，仿真结果和分析一致。大家如果感兴趣可以好好的看看仿真的波形。