Verilog基本功之：流水线设计Pipeline Design
第一部分什么是流水线
第二部分什么时候用流水线设计
第三部分使用流水线的优缺点
第四部分流水线加法器举例
一. 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）。
二. 什么时候用流水线设计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。
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。
三. 使用流水线的优缺点优点： 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。举例如下：
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，可以在一个时钟周期完成，但是时钟周期受限制在 2tpd；
2.流水线：
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）。可见只要 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，减小的是整个数据的操作时间，请大家认真体会。
缺点： 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，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。
四. 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[8:0] = {1'd0, a} + {1'd0, 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(
clk,
cin,
cina,
cinb,
sum,
cout);
input clk;
input cin;
input [7:0] cina;
input [7:0] cinb;
output [7:0] sum;
output cout;
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;
reg [3:0] cinb_reg;//插入的寄存器
always @(posedge clk) //第一级流水
begin
{cout1 , sum1} <= cina[3:0] + cinb [3:0] + cin ;
end
always @(posedge clk)
begin
cina_reg <= cina[7:4];
cinb_reg <= cinb[7:4];
end
always @(posedge clk) //第二级流水
begin
{cout ,sum[7:0]} <= {{1'b0,cina_reg[3:0]} + {1'b0,cinb_reg[3:0]} + cout1 ,sum1[3:0]} ;
end
endmodule
这里讲到的流水线，主要是一种硬件设计的算法，如第一条中表述的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。
针对处理器中的流水线结构。比如，比如 5—6 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条指令分成 5—6 步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个 cpu 时钟周期完成一条指令，因此提高 cpu 的运算速度。 一般的 cpu 中,每条整数流水线都分为四级流水， 即指令预取、 译码、 执行、 写回结果，
openrisc 采用的是 5 级整数流水线。当然它们的核心思想都是利用并行执行提高效率。
总结一下，流水线就是插入寄存器，以面积换取速度。
开关电源常用元器件类型以及主要功能
2020游泳耳机哪个好，游泳耳机品牌排行榜
LED显示屏与SMD常规屏如何来区分
【每日资料精选】电源设计+STM32+RAM处理器（原理图&源程序）
Graphcore公布最新MLPerf训练结果：AI性能再刷新高
Verilog基本功之：流水线设计Pipeline Design
中国移动圆满完成了“向祖国生日献礼”国庆升旗仪式直播报道
远翔DC-DC内置MOS降压恒流芯片FP7127，调光深度0.01%，应用于舞台灯/轨道灯调光方案
运营商4G语音终极方案 VoLTE倍受青睐
美的推出遥控机械臂来做手术 远程遥控远程手术
破局人工智能：AI平台及智能语音应用解析
基于ARM9的嵌入式智能车载系统设计
防雷检测认证服务的作用和必要性
从LED封装转型做幼教，长方集团“闹”哪般？
普源数字示波器的使用方法
国外发现了表明以钠和钾为基础的电池，将有望替代锂电池
smt加工厂如何活下来
性价比暴跌 小米6将涨价500块？
200V耐压肖特基势垒二极管:RBxx8BM200/RBxx8NS200
cc2530串口通信
第二部分什么时候用流水线设计
第三部分使用流水线的优缺点
第四部分流水线加法器举例
一. 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）。
二. 什么时候用流水线设计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。
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。
三. 使用流水线的优缺点优点： 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。举例如下：
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，可以在一个时钟周期完成，但是时钟周期受限制在 2tpd；
2.流水线：
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）。可见只要 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，减小的是整个数据的操作时间，请大家认真体会。
缺点： 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，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。
四. 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[8:0] = {1'd0, a} + {1'd0, 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(
clk,
cin,
cina,
cinb,
sum,
cout);
input clk;
input cin;
input [7:0] cina;
input [7:0] cinb;
output [7:0] sum;
output cout;
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;
reg [3:0] cinb_reg;//插入的寄存器
always @(posedge clk) //第一级流水
begin
{cout1 , sum1} <= cina[3:0] + cinb [3:0] + cin ;
end
always @(posedge clk)
begin
cina_reg <= cina[7:4];
cinb_reg <= cinb[7:4];
end
always @(posedge clk) //第二级流水
begin
{cout ,sum[7:0]} <= {{1'b0,cina_reg[3:0]} + {1'b0,cinb_reg[3:0]} + cout1 ,sum1[3:0]} ;
end
endmodule
这里讲到的流水线，主要是一种硬件设计的算法，如第一条中表述的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。
针对处理器中的流水线结构。比如，比如 5—6 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条指令分成 5—6 步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个 cpu 时钟周期完成一条指令，因此提高 cpu 的运算速度。 一般的 cpu 中,每条整数流水线都分为四级流水， 即指令预取、 译码、 执行、 写回结果，
openrisc 采用的是 5 级整数流水线。当然它们的核心思想都是利用并行执行提高效率。
总结一下，流水线就是插入寄存器，以面积换取速度。
开关电源常用元器件类型以及主要功能
2020游泳耳机哪个好，游泳耳机品牌排行榜
LED显示屏与SMD常规屏如何来区分
【每日资料精选】电源设计+STM32+RAM处理器（原理图&源程序）
Graphcore公布最新MLPerf训练结果：AI性能再刷新高
Verilog基本功之：流水线设计Pipeline Design
中国移动圆满完成了“向祖国生日献礼”国庆升旗仪式直播报道
远翔DC-DC内置MOS降压恒流芯片FP7127，调光深度0.01%，应用于舞台灯/轨道灯调光方案
运营商4G语音终极方案 VoLTE倍受青睐
美的推出遥控机械臂来做手术 远程遥控远程手术
破局人工智能：AI平台及智能语音应用解析
基于ARM9的嵌入式智能车载系统设计
防雷检测认证服务的作用和必要性
从LED封装转型做幼教，长方集团“闹”哪般？
普源数字示波器的使用方法
国外发现了表明以钠和钾为基础的电池，将有望替代锂电池
smt加工厂如何活下来
性价比暴跌 小米6将涨价500块？
200V耐压肖特基势垒二极管:RBxx8BM200/RBxx8NS200
cc2530串口通信