握手信号valid/ready的打拍技巧_握手信号打拍

一、前言

• valid和ready信号，尤其是ready信号的时序一般很差，因为它通常是接收端通过组合逻辑输出的。当流水线的级数较多时，ready反压信号一级一级往前传递，时序将会变得更差。

• 为了优化时序，通常需要对valid和ready信号进行打拍处理。但是由于握手信号的特点，使得这两个信号直接打拍时会发生协议错误，此时就需要使用一些技巧来解决这个问题。

通常对于握手信号的打拍处理有以下三种方式：

• Forward Register Slice：仅处理valid和data信号的打拍
• Backward Register Slice：仅处理ready信号的打拍
• Full Register Slice：同时处理valid信号与ready信号的打拍

二、Forward Register Slice

传送门：valid-ready握手协议中valid及data信号的打拍技巧

module valid_flop
        (
        CLK,
        RESET,
        VALID_UP,
        READY_UP,
        DATA_UP,
        VALID_DOWN,
        READY_DOWN,
        DATA_DOWN
        );

//-----------------------------------------------------------------------------
parameter WIDTH            = 32                                                 ;

//-----------------------------------------------------------------------------
input                      CLK;
input                      RESET;
input                      VALID_UP;
output                     READY_UP;
input  [WIDTH-1:0]         DATA_UP;
output                     VALID_DOWN;
input                      READY_DOWN;
output [WIDTH-1:0]         DATA_DOWN                                            ;

//-----------------------------------------------------------------------------
wire                       CLK;
wire                       RESET;
wire                       VALID_UP;
wire                       READY_UP;
wire   [WIDTH-1:0]         DATA_UP;
//Down Stream
reg                        VALID_DOWN;
wire                       READY_DOWN;
reg    [WIDTH-1:0]         DATA_DOWN;

//-----------------------------------------------------------------------------
//Valid
always @(posedge CLK)
if (RESET)  VALID_DOWN <= 1'b0;
else        VALID_DOWN <= READY_UP ? VALID_UP : VALID_DOWN;
//Data
always @(posedge CLK)
if (RESET)  DATA_DOWN <= {WIDTH{1'b0}};
else        DATA_DOWN <= (READY_UP && VALID_UP) ? DATA_UP : DATA_DOWN;
//READY with buble collapsing.
assign READY_UP = READY_DOWN || ~VALID_DOWN;
//READY with no buble collapsing.
//assign READY_UP = READY_DOWN;
endmodule
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中心思想：在接收端握手成功之前，发送端要将valid和data一直保持住！为了保证接收端在ready_i（READY_DOWN）信号有效时能够采集到data，data必须提前打拍。data在打拍时，使用的是接收端传递给发送端的ready_o（READY_UP）信号，而为了实现提前打拍，ready_o（READY_UP）的值可以等于ready_i（READY_DOWN）|| ~ （valid_o）VALID_DOWN。

三、Backward Register Slice

芯片设计-skid buffer(ready打断) 这篇文章中详细介绍的方案一就是典型的skid buffer处理方式。

// ports
output reg     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
wire          buf_valid;
reg  [DW-1:0] buf_data;

// data_i_ready由组合逻辑改为时序逻辑
// assign data_i_ready = ~data_o_valid || data_o_ready;
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        data_i_ready <= 1; //有个buf放在那，因此复位后至少可以收一个数据。
    else if(data_o_ready)
        data_i_ready <= 1;
    else if(data_i_valid)  //在data_o_ready拉低后的那一个周期，如果没有数据过来，表明buf为空，可以进数据，data_i_ready保持为1
        data_i_ready <= 0; //如果有数据过来，buf被占，则不允许再进数据了，data_i_ready拉低。
end

// ************关于buf_valid和buf_data有2种方案
/*
方案1：所有输入端口的数据都会进入buf，但其实只有(!data_o_ready && data_i_valid && data_i_ready)时刻进去才会发挥作用
优点：控制逻辑简单；缺点：功耗有所增加
*/
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) //可能有些控制信号通过本模块的data端口进行传输，因此有必要进行复位。
        buf_data <= 0;
    else if(data_i_ready) //不挑时刻，所有数据都进，但是真正有效的还是(!data_o_ready && data_i_valid && data_i_ready)时刻的数据
        buf_data <= data_i;
end

assign buf_valid = ~data_i_ready;

/*
方案2：只有(!data_o_ready && data_i_valid && data_i_ready)时刻数据才会进入buf
优点：功耗略低；缺点：控制逻辑稍微复杂点
*/
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        buf_data <= 0;
    else if(!data_o_ready && data_i_valid && data_i_ready) //该条件下，将向buf中存入数据
        buf_data <= data_i;
end

// 这段其实等效于assign buf_valid = ~data_i_ready; 写成下面这样更好理解
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) 
        buf_valid <= 0;
    else if(data_o_ready)
        buf_valid <= 0; //当data_o_ready拉高，优先读走buf中的数据。
    else if(!data_o_ready && data_i_valid && data_i_ready) //该条件下，将向buf中存入数据
        buf_valid <= 1; 
end

// out，如果buf中有数据，优先读走buf中的数据
assign data_o_valid = data_i_ready? data_i_valid : buf_valid;
assign data_o       = data_i_ready? data_i       : buf_data;
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中心思想：在情况1时刻，如果输入端有数据进入，则使用buf对该数据进行暂存。在情况2时刻，如果buf中存有数据，则优先输出buf中的数据。

四、Full Register Slice

https://zhuanlan.zhihu.com/p/212356622 这篇文章中的FIFO处理模式就是Full Register Slice。