流水线设计技术为什么能提高数字系统的工作频率_自动化流水线设计方案

全栈程序员-站长 • 2022年8月14日上午8:00 • 未分类 • 阅读 8

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1、什么是流水线

流水线设计就是将组合逻辑系统地分割，并在各个部分（分级）之间插入寄存器，并暂存中间数据的方法。目的是将一个大操作分解成若干的小操作，每一步小操作的时间较小，所以能提高频率，各小操作能并行执行，所以能提高数据吞吐率（提高处理速度）。

2、什么时候用流水线设计7 l( h; A$ T6 O1 Z# M6 ]3 X
使用流水线一般是时序比较紧张，对电路工作频率较高的时候。典型情况如下：
1）功能模块之间的流水线，用乒乓buffer来交互数据。代价是增加了memory的数量，但是和获得的巨大性能提升相比，可以忽略不计。
     2）I/O瓶颈，比如某个运算需要输入8个数据，而memroy只能同时提供2个数据，如果通过适当划分运算步骤，使用流水线反而会减少面积。
     3）片内sram的读操作，因为sram的读操作本身就是两极流水线，除非下一步操作依赖读结果，否则使用流水线是自然而然的事情。
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     4）组合逻辑太长，比如(a+b)*c，那么在加法和乘法之间插入寄存器是比较稳妥的做法。

3、使用流水线的优缺点
1）优点

流水线缩短了在一个时钟周期内给的那个信号必须通过的通路长度，增加了数据吞吐量，从而可以提高时钟频率，但也导致了数据的延时。
   例如：一个2级组合逻辑，假定每级延迟相同为Tpd。
1.  无流水线的总延迟就是2Tpd；
2.  流水线：” d” N7 d7 H- f! D4 R4 h; \
每一级加入寄存器（延迟为Tco）后，单级的延迟为Tpd+Tco，每级消耗一个时钟周期，流水线需要2个时钟周期来获得第一个计算结果，称为首次延迟，它要2*（Tpd+Tco），但是执行重复操作时，只要一个时钟周期来获得最后的计算结果，称为吞吐延迟（Tpd+Tco）。可见只Tco小于Tpd，流水线就可以提高速度。特别需要说明的是，流水线并不减小单次操作的时间（指单个特定输入到输出的时间），减小的是整个数据的操作时间，请大家认真体会。

2）缺点( B/ d6 C’ p3 ^0 ~” j: h
功耗增加，面积增加，硬件复杂度增加，特别对于复杂逻辑如cpu的流水线而言而言，流水越深，发生需要hold 流水线或reset 流水线的情况时，时间损失越大。所以使用流水线并非有利无害，大家需权衡考虑。

4、一个8bit流水线加法器的小例子

非流水线：

module add8(a, b, c);
   input  [7:0] a;
   input  [7:0] b;
   output [8:0] c;

   assign   c = {1'b0, a} + {1'b0, b};

endmodule

采用两级流水线：第一级低4bit,第二级高4bit，所以第一个输出需要2个时钟周期有效，后面的数据都是1个周期之后有效。

module adder8_2(cout,sum ,clk ,cina ,cinb ,cin);

   output [7:0] sum;
   output cout ;

   input [7:0] cina ,cinb ;
   input clk ,cin ;
 
   reg cout ;
   reg cout1 ; 插入的寄存器
   reg[3 :0 ]sum1 ; //插入的寄存器
   reg[7 :0 ]sum;
   reg[3:0] cina_reg,cinb_reg;//插入的寄存器,
 
 
   always @(posedge clk)begin
    {cina_reg,cinb_reg} <= {cina[7:4],cinb[7:4]};
   end
   
   always @(posedge clk)  //第一级流水
   begin
      {cout1 , sum1} <= cina[3:0] + cinb [3:0] +cin ;
  end

   always @(posedge clk)  //第二级流水. 
   begin
     {cout ,sum} <= {
  
  {1'b0,cina_reg} + {1'b0,cinb_reg} + cout1 ,sum1} ;
   end

endmodule

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