南京观海微电子----Verilog流水线设计——Pipeline

1. 前言

在工程师实际开发过程中，可能会经常遇到这样的需求：数据从数据源端不断地持续输入FPGA，FPGA需要对数据进行处理，最后将处理好的数据输出至客户端。

在数据处理过程中，可能需要一系列的处理步骤。比如常规的信号进行处理步骤有（这里的处理步骤只是举个例子）：信号解调、滤波、傅里叶变换。

假如数据源每10ns输入一个数据，一个采用数据经过信号解调需要10ns，完成滤波需20ns，傅里叶变换需要30ns。我们该如何用verilog语言设计硬件电路使得数据处理效率高效？

2. 面临问题

FPGA一个较大的优势是其并行处理机制，即利用并行架构实现信号/数据处理的功能。

大家首先想到的方法就是复制多份数据处理电路，如下图所示：

将数据处理电路复制6份，这样即便每路数据处理需要60ns，也能保证整个由6路处理链路组成的数据模块能处理每10ns输出一个数据的数据源。

这种解决方案的确利用了FPGA独特的优势，但面临的问题是显而易见的，它需要消耗大量的硬件资源。比如当处理算法较复杂时，一条处理链路可能就用掉了FPGA相应60%的资源，这样除非换更大容量的FPGA，否则在当前FPGA上即使复制两遍处理链路的电路都是不支持的。

此外，我们深入分析会发现，电路虽然被复制了6份，但在同一时刻电路被使用率是很低的。假设输入一个数据时刻为0ns，则在第50ns时，真正处于工作状态的电路如下图所示（黄色标的区域）：

可见同一时刻，工作的电路比例很低，其它白色的电路模块都是闲置的未工作的电路。

3. Pipeline解决方案

所谓流水线（pipeline）处理，如同生产装配线一样，将操作执行工作量分成若干个时间上均衡的操作段，从流水线的起点连续地输入，流水线的各操作段以重叠方式执行。

这使得操作执行速度只与流水线输入的速度有关，而与处理所需的时间无关。这样，在理想的流水操作状态下，其运行效率很高。

比如仍然以上面信号处理例子为例，我们不需要去复制6份同样的电路，而是去优化我们单条信号处理电路。利用pipeline的设计理念，我们需要把处理时间大于10ns的电路模块拆分成多个小于等于10ns的子电路（操作信号处理工作量分成若干个时间上均衡的处理段），并且每个子电路的输入是前一级子电路的输出，每一级子电路都能锁存当前时钟周期的输出结果。改造后的电路如下图所示：

对于一个输入数据的样本来说，数据是串行被处理的，但对于多个输入数据来说，各个处理阶段是并行执行的，所以数据处理从整体上看是并行执行的，由于是并行执行，所以能够充分利用FPGA资源。

需要注意的是，在工作时钟频率一定的情况下，pipeline的设计思路并不会提高对单个数据的处理速度，但该设计方式可以极大提高数据的吞吐率。同时由于pipeline的设计方式降低了FPGA寄存器间的传播延时，反而又使得设计出来的电路能以更高的系统时钟进行工作，某种程度上又会提高FPGA系统的工作速度获取更快的计算处理速率。

由于网上pipeline示例代码资源很多，本文就不提供pipeline的示例代码了。

4. 小结

利用pipeline的设计方法，可以提高FPGA系统的工作速度。这种方法可广泛运用于各种设计，特别是大型的、对速度要求较高的系统设计。虽然有时候采用流水线反而会增大对资源的使用，但是它可降低寄存器间的传播延时，保证系统维持高的系统时钟速度。

在实际应用中，考虑到资源的使用和速度的要求，可以根据实际情况来选择流水线的级数以满足设计需要。