FPGA研發(fā)之道(10)架構(gòu)設(shè)計(jì)漫談(五)數(shù)字電路的靈魂-流水線

　　流水線，最早為人熟知，起源于十九世紀(jì)初的福特汽車工廠，富有遠(yuǎn)見的福特，改變了那種人圍著汽車轉(zhuǎn)、負(fù)責(zé)各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)模式，轉(zhuǎn)變成了流動的汽車組裝線和固定操作的人員。于是，工廠的一頭是不斷輸入的橡膠和鋼鐵，工廠的另一頭則是一輛輛正在下線的汽車。這種改變，不但提升了效率，更是拉開了工業(yè)時代大生產(chǎn)的序幕。

　　如今，這種模式常常應(yīng)用于數(shù)字電路的設(shè)計(jì)之中，與現(xiàn)在流驅(qū)動的FPGA架構(gòu)不謀而合。舉例來說：某設(shè)計(jì)輸入為A種數(shù)據(jù)流，而輸出則是B種數(shù)據(jù)流，其流水架構(gòu)如下所示：

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　　每個模塊只負(fù)責(zé)處理其中的一部分，這種處理的好處是，1、簡化設(shè)計(jì)，每個模塊只負(fù)責(zé)其中的一個功能，便于功能和模塊劃分。2，時序優(yōu)化，流水的處理便于進(jìn)行時序的優(yōu)化，特別是處理復(fù)雜的邏輯，可以通過流水設(shè)計(jì)，改善關(guān)鍵路徑，提升處理頻率，并能提升處理性能。

　　各個流水線之間的連接方式也可通過多種方式，如果是處理的是數(shù)據(jù)塊，流水模塊之間可以通過FIFO或者RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)暫存的方式進(jìn)行直接連接、也可以通過寄存器直接透傳。也可通過某些支持brust傳輸?shù)某Ｓ脴I(yè)界標(biāo)準(zhǔn)總線接口進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)，例如AHB，WISHBONE，AVALON-ST等接口，這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是標(biāo)準(zhǔn)化，便于模塊基于標(biāo)準(zhǔn)接口復(fù)用。每個模塊的接收接口為從接口(SLAVE)，而發(fā)送接口為主接口(MASTER)。

　　架構(gòu)流水的好處一目了然，但另一個問題，對于某些設(shè)計(jì)就需要謹(jǐn)慎處理，那就是時延。對于進(jìn)入流水線的信息A，如果接入的流水處理的模塊越多，其輸出時的時延也越高，因此如對處理時延要要求的設(shè)計(jì)就需要在架構(gòu)設(shè)計(jì)時，謹(jǐn)慎對待添加流水線。架構(gòu)設(shè)計(jì)時，可以通過處理各個單元之間的延時估計(jì)，從而評估系統(tǒng)的時延，避免最終不能滿足時延短的需求，返回來修改架構(gòu)。

　　流水架構(gòu)在另種設(shè)計(jì)中則無能為力，那就是帶反饋的設(shè)計(jì)，如下圖所示：

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　　圖中，需要處理模塊的輸入，需要上一次計(jì)算后的結(jié)果的值，也就是輸出要反饋回設(shè)計(jì)的輸入。例如某幀圖像的解壓需要解壓所后的上一幀的值，才能計(jì)算得出。此時，流水的處理就不能使用，若強(qiáng)行添加流水，則輸入需等待。

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　　如上圖中，如在需反饋的設(shè)計(jì)中強(qiáng)加流水，則輸入信息Ai需要等待Ai-1處理完畢后，再進(jìn)行輸入，則處理模塊1，就只能等待(空閑)。因此，問題出現(xiàn)了，流水線等待實(shí)際上就是其流水處理的的效果沒有達(dá)到，白白浪費(fèi)了邏輯和設(shè)計(jì)。

　　流水應(yīng)用在調(diào)用式的設(shè)計(jì)中，可以通過接口與處理流水并行達(dá)到。即寫入、處理、讀出等操作可以做到流水式架構(gòu)，從而增加處理的能力。

　　流水是FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)中一種常用的手段，通過合理劃分流水層次，簡化設(shè)計(jì)，優(yōu)化時序。同時流水在模塊設(shè)計(jì)中也是一種常用的手段和技巧。這將在后續(xù)重陸續(xù)介紹。，流水本身簡單易懂，而真正能在設(shè)計(jì)中活用，就需要對FPGA所處理的業(yè)務(wù)有著深刻的理解。正如那就話，知曉容易，踐行不易，且行且珍惜。