在现代大规模ASIC设计中，经常会遇到跨时钟域的数据传输，此时就需要用到异步时钟FIFO。既然是先进先出的fifo，那就有push端和pop端。假设push端时钟为clcok A，pop端时钟为clock B。clock A和clock B可能前者主频高；也可能后者主频高；还有可能两边主频一样，但存在相位差 (片间互联时用的较多)。
要完成一个异步fifo的功能，至少要有以下信号(假设fifo深度为4，一层可以传输64bit数据)
| Signal |
功能 |
| Push |
ClockA，FIFO not full 且前级模块有新data时，push拉高，往某一个entry中push数据 |
| Push_data[63:0] |
ClockA，新来的data，将要被push到异步fifo中。 |
| Full |
ClockA，一般根据WPRT_Bin和RPTR_Bin来判断是否为full，当满足(WPRT_Bin[1:0] == RPTR_Bin[1:0]) && (WPRT_Bin[2] != RPTR_Bin[2]) 时，表明full。 |
| WPRT_Bin_clkA[2:0] |
ClockA，write ptr的二进制表示， 用于指导push 的时候新数据push到哪个entry， 初始为0，成功push到一个entry后，加1。只增不减，循环进行，000 -> 001 -> … -> 111 -> 000 …。 Entry为4层，2bit就可以用来指示4个entry了，但一般为了能方便的得到full和empty信号，会使用多1bit。 |
| WPRT_Gray_clkA[2:0] |
ClockA，write ptr的格雷码表示，格雷码任意两个相邻的代码只有一位二进制数不同，一般设计异步FIFO时，两个时钟域之间的ptr 都通过格雷码传递。 Write ptr会以格雷码形式送给clockB，最终将用于clockB的empty信号的计算。 在数字系统中，常要求代码按一定顺序变化。例如，按自然数递增计数，若采用8421码，则数0111变到1000时四位均要变化，而在实际电路中，4位的变化不可能绝对同时发生，则计数中可能出现短暂的其它代码（1100、1111等）。在特定情况下可能导致电路状态错误或输入错误。使用格雷码可以避免这种错误。 |
| RPRT_Gray_clkA[2:0] |
ClockA，read ptr的格雷码表示，read ptr从clock B送来，RPRT_Gray_clkB信号需要先同步到clock A的上升沿，然后再延时一定的拍数(此处延时是为了让信号更加稳定)，得到clock A的read ptr格雷码。 |
| RPRT_Bin_clkA[2:0] |
ClockA，read ptr的二进制表示，主要用于clockA的full信号的计算。 |
| Pop |
ClockB，FIFO not empty 且后级模块not full情况下，pop拉高，从某一个entry中读取数据 |
| Pop_data[63:0] |
ClockB，从异步fifo的某一个entry中读取的数据。 |
| Empty |
ClockB，一般根据WPRT_Bin和RPTR_Bin来判断是否为empty，当满足(WPRT_Bin[1:0] == RPTR_Bin[1:0]) && (WPRT_Bin[2] == RPTR_Bin[2]) 时，表明empty。 |
| WPRT_Gray_clkB[2:0] |
ClockB，write ptr格雷码 |
| WPRT_Bin_clkB[2:0] |
ClockB，write ptr二进制码 |
| RPRT_Bin_clkB[2:0] |
ClockB，read ptr二进制码 |
| RPRT_Gray_clkB[2:0] |
ClockB，read ptr格雷码 |
一般情况下，两个时钟域的两侧分别对应的是两个不同模块，异步时钟fifo的实现也是一分两半，一部分在clock A，一部分在clockB，两部分之间的信号连接主要有以下。因为push在clockA，pop在clockB， clockA 并不知道clockB pop某一层entry的具体时刻，也就无从控制某一个时刻具体输出哪一层给clockB。故一般做法是，所有entry的数据在clockA和clockB侧都分别进行存储，也就是说clockB可以看到所有entry的具体数据，接口上，clockA的所有entry的数据信号都是output。
| Signal |
方向 |
| Entry0[63:0] Entry1[63:0] …. |
Clock A --> clock B |
| WPTR_Gray |
Clock A --> clock B |
| RPTR_Gray |
Clock B --> clock A |
