FPGA研發(fā)之道(10)架構設計漫談(五)數字電路的靈魂-流水線(xiàn)

　　流水線(xiàn)，最早為人熟知，起源于十九世紀初的福特汽車(chē)工廠(chǎng)，富有遠見(jiàn)的福特，改變了那種人圍著(zhù)汽車(chē)轉、負責各個(gè)環(huán)節的生產(chǎn)模式，轉變成了流動(dòng)的汽車(chē)組裝線(xiàn)和固定操作的人員。于是，工廠(chǎng)的一頭是不斷輸入的橡膠和鋼鐵，工廠(chǎng)的另一頭則是一輛輛正在下線(xiàn)的汽車(chē)。這種改變，不但提升了效率，更是拉開(kāi)了工業(yè)時(shí)代大生產(chǎn)的序幕。

　　如今，這種模式常常應用于數字電路的設計之中，與現在流驅動(dòng)的FPGA架構不謀而合。舉例來(lái)說(shuō)：某設計輸入為A種數據流，而輸出則是B種數據流，其流水架構如下所示：

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　　每個(gè)模塊只負責處理其中的一部分，這種處理的好處是，1、簡(jiǎn)化設計，每個(gè)模塊只負責其中的一個(gè)功能，便于功能和模塊劃分。2，時(shí)序優(yōu)化，流水的處理便于進(jìn)行時(shí)序的優(yōu)化，特別是處理復雜的邏輯，可以通過(guò)流水設計，改善關(guān)鍵路徑，提升處理頻率，并能提升處理性能。

　　各個(gè)流水線(xiàn)之間的連接方式也可通過(guò)多種方式，如果是處理的是數據塊，流水模塊之間可以通過(guò)FIFO或者RAM進(jìn)行數據暫存的方式進(jìn)行直接連接、也可以通過(guò)寄存器直接透傳。也可通過(guò)某些支持brust傳輸的常用業(yè)界標準總線(xiàn)接口進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的互聯(lián)，例如AHB，WISHBONE，AVALON-ST等接口，這種設計的優(yōu)點(diǎn)是標準化，便于模塊基于標準接口復用。每個(gè)模塊的接收接口為從接口(SLAVE)，而發(fā)送接口為主接口(MASTER)。

　　架構流水的好處一目了然，但另一個(gè)問(wèn)題，對于某些設計就需要謹慎處理，那就是時(shí)延。對于進(jìn)入流水線(xiàn)的信息A，如果接入的流水處理的模塊越多，其輸出時(shí)的時(shí)延也越高，因此如對處理時(shí)延要要求的設計就需要在架構設計時(shí)，謹慎對待添加流水線(xiàn)。架構設計時(shí)，可以通過(guò)處理各個(gè)單元之間的延時(shí)估計，從而評估系統的時(shí)延，避免最終不能滿(mǎn)足時(shí)延短的需求，返回來(lái)修改架構。

　　流水架構在另種設計中則無(wú)能為力，那就是帶反饋的設計，如下圖所示：

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

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　　如上圖中，如在需反饋的設計中強加流水，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(wèn)題出現了，流水線(xiàn)等待實(shí)際上就是其流水處理的的效果沒(méi)有達到，白白浪費了邏輯和設計。

　　流水應用在調用式的設計中，可以通過(guò)接口與處理流水并行達到。即寫(xiě)入、處理、讀出等操作可以做到流水式架構，從而增加處理的能力。

　　流水是FPGA架構設計中一種常用的手段，通過(guò)合理劃分流水層次，簡(jiǎn)化設計，優(yōu)化時(shí)序。同時(shí)流水在模塊設計中也是一種常用的手段和技巧。這將在后續重陸續介紹。，流水本身簡(jiǎn)單易懂，而真正能在設計中活用，就需要對FPGA所處理的業(yè)務(wù)有著(zhù)深刻的理解。正如那就話(huà)，知曉容易，踐行不易，且行且珍惜。