米联客-FPGA程序设计Verilog语法入门篇连载-13 Verilog语法_流水线设计

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1概述

本小节讲解Verilog语法的流水线设计，需要掌握流水线的设计方法。

2流水线简介

2.1 什么是流水线

流水线的基本思想是：把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能元件来实现。将多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样每个子过程就可以与其他子过程并行进行。

例：小张在快递站工作，日常任务就是打包快递，打包快递分为四个步骤，称重、打包、贴单和入库，每个步骤耗时5分钟。临近双十一，快递寄送任务变多，小张一个人忙不过来，临时添加三个人一起打包快递，每人负责一个步骤，原先打包4个快递需要80分钟，现在需要35分钟。如图所示：

2.2 设计流水线

设计一个32位的全加器，使用四级流水线。例：

module  full_add (
input           rst_n,
input           clk,
input    [31:0] add_a,
input    [31:0] add_b,
input           c_in,
input           vld,
output   [31:0] add_sum,
output          c_out,
output          sum_vld
);
 
 
 
reg         c_in_ff;
 
reg [31:0]  add_a_ff;
 
reg [31:0]  add_b_ff;
 
reg [31:0]  add_a_1;
 
reg [31:0]  add_b_1;
 
reg [31:0]  add_a_2;
 
reg [31:0]  add_b_2;
 
reg [31:0]  add_a_3;
 
reg [31:0]  add_b_3;
 
 
 
reg         vld_temp;
 
reg         vld_1;
 
reg         vld_2;
 
reg         vld_3;
 
reg         sum_vld;
 
reg         cout1;
 
reg         cout2;
 
reg         cout3;
 
reg         c_out;
 
reg [7:0]   sum1;
 
reg [15:0]  sum2;
 
reg [23:0]  sum3;
 
reg [31:0]  add_sum;                                      
 
always@(posedge clk or negedge rst_n)                        //输入数据的四级缓存
 
begin
if (!rst_n)
    begin
        c_in_ff  <= 'd0;
        add_a_ff <= 'd0;
 
        add_a_1  <= 'd0;
        add_a_2  <= 'd0;
 
        add_a_3  <= 'd0;            
        add_b_ff <= 'd0;
 
        add_b_1  <= 'd0;
        add_b_2  <= 'd0;
 
        add_b_3  <= 'd0;            
        vld_temp <= 'd0;
 
        vld_1    <= 'd0;
        vld_2    <= 'd0;
 
        vld_3    <= 'd0;
        sum_vld  <= 'd0;
 
    end 
 
else
 
    begin
 
        c_in_ff  <= c_in;
 
        add_a_ff <= add_a;
 
        add_a_1  <= add_a_ff;
 
        add_a_2  <= add_a_1;
 
        add_a_3  <= add_a_2;
 
        add_b_ff <= add_b;
 
        add_b_1  <= add_b_ff;
 
        add_b_2  <= add_b_1;
 
        add_b_3  <= add_b_2;
 
        vld_temp <= vld;
 
        vld_1    <= vld_temp;
 
        vld_2    <= vld_1;
 
        vld_3    <= vld_2;
 
        sum_vld  <= vld_3;          
 
    end 
 
end 
 
always@(posedge clk or negedge rst_n)               //四级流水线设计
 
begin
    if (!rst_n)
        begin
            sum1     <= 8'b0;
 
            sum2     <= 16'd0;
 
            sum3     <= 24'd0;
 
            add_sum  <= 32'd0;
 
            cout1    <= 1'b0;
 
            cout2    <= 1'b0;
 
            cout3    <= 1'b0;
 
            c_out    <= 1'b0;              
 
        end 
 
    else
 
        begin
 
            {cout1,sum1}        <=  9'b0+add_a_ff[7:0]  +add_b_ff[7:0]  +c_in_ff;
 
            {cout2,sum2}        <= {9'b0+add_a_1[15:8]  +add_b_1[15:8]  +cout1,sum1};
 
            {cout3,sum3}        <= {9'b0+add_a_2[23:16] +add_b_2[23:16] +cout2,sum2};
 
            {c_out,add_sum  }   <= {9'b0+add_a_3[31:24] +add_b_3[31:24] +cout3,sum3};              
 
        end        
 
end 
 
endmodule

流水线设计就是将路径系统的分割成一个个数字处理单元，并在各个处理单元之间插入寄存器来暂存中间阶段的数据。被分割的单元能够按阶段并行的执行，相互间没有影响。所以最后流水线设计能够提高数据的吞吐率，即提高数据的处理速度。