2023学年完整公开课版基本的FIFO列队

基本的FIFO列队基本的FIFO列队

定义

FIFO简介

FIFO列队原理简述使用FIFO重要参数11定义2FIFO（FirstInputFirstOutput），即先进先出队列。在超市购物之后会提着我们满满的购物车来到收银台排在结账队伍的最后，眼睁睁地看着前面的客户一个个离开。这就是一种先进先出机制，先排队的客户先行结账离开。32FIFO简介在计算机中，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？2FIFO简介4FIFO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（QualityofService，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。2FIFO简介5FIFO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TailDrop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TailDrop的报文就变多了。3FIFO列队原理简述6FIFO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。4使用FIFO7FIFO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100KSPS，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。5重要参数8FIFO的宽度：也就是英文资料里常看到的THEWIDTH，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。5重要参数9FIFO的深度：THEDEEPTH，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。5重要参数10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