FPGA研发之道（10）架构设计漫谈（五）数字电路的灵魂-流水线

作者：阿昏豆

    流水线，最早为人熟知，起源于十九世纪初的福特汽车工厂，富有远见的福特，改变了那种人围着汽车转、负责各个环节的生产模式，转变成了流动的汽车组装线和固定操作的人员。于是，工厂的一头是不断输入的橡胶和钢铁，工厂的另一头则是一辆辆正在下线的汽车。这种改变，不但提升了效率，更是拉开了工业时代大生产的序幕。

     如今，这种模式常常应用于数字电路的设计之中，与现在流驱动的FPGA架构不谋而合。举例来说：某设计输入为A种数据流，而输出则是B种数据流，其流水架构如下所示：

     

       每个模块只负责处理其中的一部分，这种处理的好处是，1、简化设计，每个模块只负责其中的一个功能，便于功能和模块划分。2，时序优化，流水的处理便于进行时序的优化，特别是处理复杂的逻辑，可以通过流水设计，改善关键路径，提升处理频率，并能提升处理性能。

     各个流水线之间的连接方式也可通过多种方式，如果是处理的是数据块，流水模块之间可以通过FIFO或者RAM进行数据暂存的方式进行直接连接、也可以通过寄存器直接透传。也可通过某些支持brust传输的常用业界标准总线接口进行点对点的互联，例如AHB，WISHBONE，AVALON-ST等接口，这种设计的优点是标准化，便于模块基于标准接口复用。每个模块的接收接口为从接口（SLAVE），而发送接口为主接口（MASTER）。

架构流水的好处一目了然，但另一个问题，对于某些设计就需要谨慎处理，那就是时延。对于进入流水线的信息A，如果接入的流水处理的模块越多，其输出时的时延也越高，因此如对处理时延要要求的设计就需要在架构设计时，谨慎对待添加流水线。架构设计时，可以通过处理各个单元之间的延时估计，从而评估系统的时延，避免最终不能满足时延短的需求，返回来修改架构。

流水架构在另种设计中则无能为力，那就是带反馈的设计，如下图所示：



  图中，需要处理模块的输入，需要上一次计算后的结果的值，也就是输出要反馈回设计的输入。例如某帧图像的解压需要解压所后的上一帧的值，才能计算得出。此时，流水的处理就不能使用，若强行添加流水，则输入需等待。



     如上图中，如在需反馈的设计中强加流水，则输入信息Ai需要等待Ai-1处理完毕后，再进行输入，则处理模块1，就只能等待（空闲）。因此，问题出现了，流水线等待实际上就是其流水处理的的效果没有达到，白白浪费了逻辑和设计。

流水应用在调用式的设计中，可以通过接口与处理流水并行达到。即写入、处理、读出等操作可以做到流水式架构，从而增加处理的能力。

流水是FPGA架构设计中一种常用的手段，通过合理划分流水层次，简化设计，优化时序。同时流水在模块设计中也是一种常用的手段和技巧。这将在后续重陆续介绍。，流水本身简单易懂，而真正能在设计中活用，就需要对FPGA所处理的业务有着深刻的理解。正如那就话，知晓容易，践行不易，且行且珍惜。