Verilog实现全并行比较算法
##1.原理
传统的排序方式是两两之间顺序进行比较，而全并行算法是基于序列中随意两个数进行比较，所以会消耗比较多的比较器。这正诠释了FPGA中面积换取速度的思想。
原理如下：
（1）第一个时钟周期，将其中一个数据和其他数据在一个周期中比较。
（2）第二个时钟周期，将每个数据和其他数据比较后的加过进行累加。
（3）第三个时钟周期，将每个数据根据自己的得分赋值给新的数组。
##2.优缺点
###2.1优点
并行比较排序方式在实时性上有明显的又是，只需要三个时钟周期就可以完成排序。
###2.2缺点
由于并行比较消耗FPGA的LUT资源，而且在第二个阶段需要大量的加法器级联，考虑到路径延迟、建立和保持时间的Slack以及时钟的Jitter，一个时钟周期的多个加法器级联会产生问题
代码的可移植性有所欠缺，比如序列大小改变，在第二和第三阶段就需要认为修改多处代码。
##3.传统的排序例程
如下图所示，不仅需要多个比较器，而且时序路径过长，造成布线的数据路劲过长，产生建立时间违例。 
从下面的timing报告中可以明显的看出，该数据过长。
也可以从芯片布线的情况上明显看出。
##4.全并行比较例程
module sort_paralell(clk, rst, in0, in1, in2, in3, out0, out1, out2, out3);
input clk;
input rst;
input [7:0] in0, in1, in2, in3;//输入的4个需要比较的数字
reg [7:0] out_temp[3:0];//输出数据放入此数组中
output [7:0] out0, out1, out2, out3;//输出的比较后的结果
reg [7:0] out0, out1, out2, out3;
//下面定义的变量用于存储比较结果，如in0 > in1,则a0 <= 1,否则a0 <= 0;
reg a0, a1, a2;
reg b0, b1, b2;
reg c0, c1, c2;
reg d0, d1, d2;
reg add_start; //该变量的作用是判断比较是否结束，比较结束后赋值为1，进入相加模块
reg assignm_start; //该变量作用在于判断相加模块执行是否结束，结束后赋值为1，进入下一个输出模块
//下面定义的变量用于存储上述中间变量累加结果，（9个1位2进制数相加最多4位）2的（0,1,2,3）次方的累加，那么4个1位的2进制数相加最多3位，2的（0,1,2）的累加
reg out_start;
//reg [3:0] mid0, mid1, mid2, mid3, mid4, mid5, mid6, mid7, mid8, mid9;
reg [2:0] mid0, mid1, mid2, mid3;//4 input numbers
//排序算法在FPGA内进行，实现过程主要有以下几个步骤：
//1、第一个clk，数据的全比较程序，4个数据排序，输入数据为in0~in3;
//2、第二个clk，比较值累加，mid0,mid1,mid2,mid3;
//3、第三个clk，把输入值赋给相对应的排序空间；
//4、第四个clk，把排序结果输出；
//并行比较模块（第一个时钟）
always @ (posedge clk)
begin
if(rst)
begin
{a0, a1, a2} <= 3'b0000_0000_0;
{b0, b1, b2} <= 3'b0000_0000_0;
{c0, c1, c2} <= 3'b0000_0000_0;
{d0, d1, d2} <= 3'b0000_0000_0;
{mid0, mid1, mid2, mid3} <=
30'b0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000_0000;
out0 <= 0; out1 <= 0; out2 <= 0; out3 <= 0;
add_start <= 0;
assignm_start <= 0;
out_start <= 0;
end
else
begin
if(in0 > in1) a0 <= 1'b1; //in0和所有除自己外的其他数据比较，大于则标志置1
else a0 <= 1'b0;
if(in0 > in2) a1 <= 1'b1;
else a1 <= 1'b0;
if(in0 > in3) a2 <= 1'b1;
else a2 <= 1'b0;
if(in1 > in0) b0 <= 1'b1;//in1和所有除自己外的数据比较，大于标志位置1，否则为0
else b0 <= 1'b0;
if(in1 > in2) b1 <= 1'b1;
else b1 <= 1'b0;
if(in1 > in3) b2 <= 1'b1;
else b2 <= 1'b0;
if(in2 > in0) c0 <= 1'b1;
else c0 <= 1'b0;
if(in2 > in1) c1 <= 1'b1;
else c1 <= 1'b0;
if(in2 > in3) c2 <= 1'b1;
else c2 <= 1'b0;
if(in3 > in0) d0 <= 1'b1;
else d0 <= 1'b0;
if(in3 > in1) d1 <= 1'b1;
else d1 <= 1'b0;
if(in3 > in2) d2 <= 1'b1;
else d2 <= 1'b0;
add_start <= 1; //比较结束标志，相加开始标志
end
end
//相加模块，mid（i）的值代表着in（i）所在输出数组中的位置，（第二个时钟）
always @ (posedge clk)
begin
if(add_start == 1)
begin
mid0 <= a0 + a1 + a2; //标志位相加，所得结果就是其所在位置
mid1 <= b0 + b1 + b2;
mid2 <= c0 + c1 + c2;
mid3 <= d0 + d1 + d2;
end
assignm_start <= 1;//相加结束，赋值开始标志
end
//输出模块，将排序好的数据放入输出数组中（第三个时钟）
always @ (posedge clk)
begin
if(assignm_start == 1)
begin
out_temp[mid0] <= in0;
out_temp[mid1] <= in1;
out_temp[mid2] <= in2;
out_temp[mid3] <= in3;
out_start <= 1;//赋值结束，输出开始标志位
end
end
always @ (posedge clk)
begin
if(out_start == 1)
begin
out0 <= out_temp[0];
out1 <= out_temp[1];
out2 <= out_temp[2];
out3 <= out_temp[3];
end
end
endmodule
上述代码仅供参考，下图仿真结果为9个数据进行排序的输出结果。
可以看到只需要三个时钟周期就可以得到排序结果。