流水线中的握手信号笔记

1.《握手信号的打拍(一)》

解释了，为什么在流水线中，握手信号不能简单得加一级寄存器

业界关于流水线级握手信号的标准答案是 skid buffer，此外还有人提到了 Register slice

2.《握手信号的打拍(二)》

为什么简单加一级寄存器会握手失败 ？

从图1可以看出，加入 Handshake Pipe Module 之后，在 Sender 端有一组握手信号，在 Receiver 也有一组握手信号。也就是说，我们必须同时满足 Sender 端和 Receiver 端的握手，才能保证握手成功。

但是简单加一级寄存器只是满足一边的，图2是对 valid+data 打一拍，可以看出只能满足 Sender 端的握手时序。

如图，对 valid + data 打一拍，只满足了 Sender 端的握手时序

握手信号 valid 打拍的改进

观察图2，我们可以看到，Receiver 端不能满足握手时序的原因是 Sender 端认为数据已经被接收，从而拉低 valid，导致 valid_pipe 也被拉低。那么我们解决的办法应该是在 pipe 模块中保持住 valid 直到 receiver 端也握手成功，如图3所示。

图3 - handshake valid pipe example1

为了提高效率，我们可以在 IDLE 状态(即没有保持数据)时让 pipe 模块输出 ready_o 高电平，直到 Sender 端握手成功。接着保持住 valid 和 data，直到 Receiver 端也握手成功。如图4所示。

图4 - handshake valid pipe example2

图5是 Sender 端连续发送数据，但是 Receiver 端 ready 不连续的例子。可以看到 Sender 端有三次握手，Receiver 端也有三次握手。

图5 - handshake valid pipe example3

图6是 Sender 端连续发送数据，Receiver 端 ready 也连续的例子。

图6 - handshake valid pipe example4

后面有对 ready 信号打拍的内容，不明白为什么要打拍，我觉得现在这样就挺好，skip

3. 芯片设计-握手与反压(valid&ready)

从工厂流水线说起

本来一众打工人在流水线上"快快乐乐"地搬砖，突然receiver处理不过来了，拉低了data_o_ready。为避免数据丢失，得立刻启动应急方案。

应急方案1 (receiver 直接告知 sender 不接受新数据，同时使用 FIFO 接收流水线中的数据) (缺点：成本高)

receiver立刻通知sender，拉低data_i_ready(assign data_i_ready = data_o_ready)，不允许再进新数据了。

(注：本章所有图示均用红色表示该pipe处于工作状态，无色表示该pipe处于空闲状态)

此时虽然没有新输入了，但是流水线中的搬砖人没有得到通知，还在继续工作。意味着流水线还会输出3个数据，但是receiver已经拒绝接收数据了。没办法，这时我们得放个fifo在流水线末尾，fifo深度等于流水线级数。

虽然这个方案解决了问题，但增加了fifo，提升了工厂成本。老板不允许，想想其他方案吧。

应急方案2 (reciver 暂停整个 sender 和所有流水级)     (缺点：流水级中没有被塞满的部分也会空转，每次流水线复位都会有气泡在悬停)

在这个方案中，receiver不仅通知sender暂停，还会通知整个pipe暂停。此时不会有数据输出，也不需要加fifo了。

但从上图我们可以看到，PIPE2是空闲的，这意味着虽然此时receiver拒绝接收，但其实没必要立刻停掉流水线的，完全可以再跑一拍流水的。可能打工人觉得没啥，等一下就好，但工厂老板可不是这样想的。

首先，出现pipe空闲的情况，都是在流水初始阶段，这时候后级流水需要等若干拍才能拿到数据来干活。而我们往往会在完成一次任务后复位流水，而每次复位都会存在PIPE空闲的情况。

我们假设一次任务处理16个数据，流水线为3级，处理完后需要复位流水线。

(注：在ISP中，一般是一帧为一次任务，在vblank期间复位流水线。这里为描述方便简化处理)

理想情况下，需要16+3拍才能完成任务，这里的3拍我们称之为气泡。这意味着对于receiver来说，他需要等待。老板不希望有气泡时间，希望的是他的receiver能够满负荷工作，即一旦receiver准备好了(data_o_ready为高)，就能立刻接收到数据。

所以，方案还得改善……

应急方案3

我们得想办法挤掉气泡，别data_o_ready一拉低，大家就摸鱼，可以干的得继续干。

如方案2所提到的，气泡仅出现在流水线初始阶段，且持续拍数=流水级数。也就是说，在前几拍的时候，不用管data_o_ready什么状态，大家努力干活就是。

因此，我们添加一个计数器，当data_i_ready & data_i_valid有效时，计数器+1。当计数器小于流水级数时，流水线保持工作；当计数器≥流水级数时，流水线工作与否取决于data_o_ready.

本方案虽然把气泡挤掉了，但是控制会麻烦许多，因此：

• 如果你的应用不在意这点气泡，比如一帧4K图像仅有几十拍的气泡，那用方案2也没啥问题。
• 如果你的应用不会出现起始阶段，receiver不ready的情况，那也没必要用本方案

老板对本方案表示很满意，但我们可以继续想想有没有其他方案。

 目前看到应急方案4

应急方案4

逐级反压，只要我的后级空闲或ready, 我就传数据给他。

以下是代码。注意：以下代码要配合下面的图，才比较好看懂

用代码表示：

module pipe_ctrl #(
	parameter DW = 8 )( input clk, input rst_n, output data_i_ready, input data_i_valid, input [DW-1:0] data_i, input data_o_ready, output data_o_valid, output [DW-1:0] data_o ); // ------------------- // signals def // ------------------- reg valid_l1; wire ready_l1; reg [DW-1:0] data_l1; reg valid_l2; wire ready_l2; reg [DW-1:0] data_l2; reg valid_l3; wire ready_l3; reg [DW-1:0] data_l3; // ------------------- // pipe logic // ------------------- // l0 assign data_i_ready = ~valid_l1 || ready_l1; // l1 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) valid_l1 <= 0; else if(data_i_ready) valid_l1 <= data_i_valid; end assign ready_l1 = ~valid_l2 || ready_l2; always @ (posedge clk) begin if(data_i_ready && data_i_valid) data_l1 <= data_i + 1; end // l2 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) valid_l2 <= 0; else if(ready_l1) valid_l2 <= valid_l1; end assign ready_l2 = ~valid_l3 || ready_l3; always @ (posedge clk) begin if(ready_l1 && valid_l1) data_l2 <= data_l1 * 2; end // l3 always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if