FPGA研發之道(10)架構設計漫談(五)數字電路的靈魂-流水線

　　流水線，最早為人熟知，起源于十九世紀初的福特汽車工廠，富有遠見的福特，改變了那種人圍著汽車轉、負責各個環節的生產模式，轉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，更是拉開了工業時代大生產的序幕。

　　如今，這種模式常常應用于數字電路的設計之中，與現在流驅動的FPGA架構不謀而合。舉例來說：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：

?

　　每個模塊只負責處理其中的一部分，這種處理的好處是，1、簡化設計，每個模塊只負責其中的一個功能，便于功能和模塊劃分。2，時序優化，流水的處理便于進行時序的優化，特別是處理復雜的邏輯，可以通過流水設計，改善關鍵路徑，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，如果是處理的是數據塊，流水模塊之間可以通過FIFO或者RAM進行數據暫存的方式進行直接連接、也可以通過寄存器直接透傳。也可通過某些支持brust傳輸的常用業界標準總線接口進行點對點的互聯，例如AHB，WISHBONE，AVALON-ST等接口，這種設計的優點是標準化，便于模塊基于標準接口復用。每個模塊的接收接口為從接口(SLAVE)，而發送接口為主接口(MASTER)。

　　架構流水的好處一目了然，但另一個問題，對于某些設計就需要謹慎處理，那就是時延。對于進入流水線的信息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計就需要在架構設計時，謹慎對待添加流水線。架構設計時，可以通過處理各個單元之間的延時估計，從而評估系統的時延，避免最終不能滿足時延短的需求，返回來修改架構。

　　流水架構在另種設計中則無能為力，那就是帶反饋的設計，如下圖所示：

?

　　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，流水的處理就不能使用，若強行添加流水，則輸入需等待。

?

　　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，再進行輸入，則處理模塊1，就只能等待(空閑)。因此，問題出現了，流水線等待實際上就是其流水處理的的效果沒有達到，白白浪費了邏輯和設計。

　　流水應用在調用式的設計中，可以通過接口與處理流水并行達到。即寫入、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，通過合理劃分流水層次，簡化設計，優化時序。同時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。，流水本身簡單易懂，而真正能在設計中活用，就需要對FPGA所處理的業務有著深刻的理解。正如那就話，知曉容易，踐行不易，且行且珍惜。