所謂流水線處理，如同生產(chǎn)裝配線一樣，將操作執(zhí)行工作量分成若干個(gè)時(shí)間上均衡的操作段，從流水線的起點(diǎn)連續(xù)地輸入，流水線的各操作段以重疊方式執(zhí)行。這使得操作執(zhí)行速度只與流水線輸入的速度有關(guān)，而與處理所需的時(shí)間無關(guān)。這樣，在理想的流水操作狀態(tài)下，其運(yùn)行效率很高。

如果某個(gè)設(shè)計(jì)的處理流程分為若干步驟，而且整個(gè)數(shù)據(jù)處理是單流向的，即沒有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，則可以采用流水線設(shè)計(jì)方法來提高系統(tǒng)的工作頻率。

下面用8位全加器作為實(shí)例，分別列舉了非流水線方法、2級流水線方法和4級流水線方法。

（1）非流水線實(shí)現(xiàn)方式

module adder_8bits（din_1， clk， cin， dout， din_2， cout）;

input ［7:0］ din_1;

input clk;

input cin;

output ［7:0］ dout;

input ［7:0］ din_2;

output cout;

reg ［7:0］ dout;

reg cout;

always @（posedge clk） begin

{cout，dout} 《= din_1 + din_2 + cin;

end

endmodule

（2）2級流水線實(shí)現(xiàn)方式：

module adder_4bits_2steps（cin_a， cin_b， cin， clk， cout， sum）;

input ［7:0］ cin_a;

input ［7:0］ cin_b;

input cin;

input clk;

output cout;

output ［7:0］ sum;

reg cout;

reg cout_temp;

reg ［7:0］ sum;

reg ［3:0］ sum_temp;

always @（posedge clk） begin

{cout_temp，sum_temp} = cin_a［3:0］ + cin_b［3:0］ + cin;

end

always @（posedge clk） begin

{cout，sum} = {{1‘b0，cin_a［7:4］} + {1’b0，cin_b［7:4］} + cout_temp， sum_temp};

end

endmodule

注意：這里在always塊內(nèi)只能用阻塞賦值方式，否則會出現(xiàn)邏輯上的錯(cuò)誤！

（3）4級流水線實(shí)現(xiàn)方式：

module adder_8bits_4steps（cin_a， cin_b， c_in， clk， c_out， sum_out）;

input ［7:0］ cin_a;

input ［7:0］ cin_b;

input c_in;

input clk;

output c_out;

output ［7:0］ sum_out;

reg c_out;

reg c_out_t1， c_out_t2， c_out_t3;

reg ［7:0］ sum_out;

reg ［1:0］ sum_out_t1;

reg ［3:0］ sum_out_t2;

reg ［5:0］ sum_out_t3;

always @（posedge clk） begin

{c_out_t1， sum_out_t1} = {1‘b0， cin_a［1:0］} + {1’b0， cin_b［1:0］} + c_in;

end

always @（posedge clk） begin

{c_out_t2， sum_out_t2} = {{1‘b0， cin_a［3:2］} + {1’b0， cin_b［3:2］} + c_out_t1， sum_out_t1};

end

always @（posedge clk） begin

{c_out_t3， sum_out_t3} = {{1‘b0， cin_a［5:4］} + {1’b0， cin_b［5:4］} + c_out_t2， sum_out_t2};

end

always @（posedge clk） begin

{c_out， sum_out} = {{1‘b0， cin_a［7:6］} + {1’b0， cin_b［7:6］} + c_out_t3， sum_out_t3};

end

endmodule

總結(jié)：

利用流水線的設(shè)計(jì)方法，可大大提高系統(tǒng)的工作速度。這種方法可廣泛運(yùn)用于各種設(shè)計(jì)，特別是大型的、對速度要求較高的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然采用流水線會增大資源的使用，但是它可降低寄存器間的傳播延時(shí)，保證系統(tǒng)維持高的系統(tǒng)時(shí)鐘速度。在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到資源的使用和速度的要求，可以根據(jù)實(shí)際情況來選擇流水線的級數(shù)以滿足設(shè)計(jì)需要。

這是一種典型的以面積換速度的設(shè)計(jì)方法。這里的“面積”主要是指設(shè)計(jì)所占用的FPGA邏輯資源數(shù)目，即利用所消耗的觸發(fā)器（FF）和查找表（LUT）來衡量。“速度”是指在芯片上穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)所能達(dá)到的最高頻率。面積和速度這兩個(gè)指標(biāo)始終貫穿著FPGA的設(shè)計(jì)，是設(shè)計(jì)質(zhì)量評價(jià)的最終標(biāo)準(zhǔn)。

編輯：jq