FPGA中的流水线设计（Pipeline Design）

流水线设计

前言： 本文从四部分对流水线设计进行分析，具体如下： 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

第一 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）。

第二 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。

第三  使用流水线的优缺点

1）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。

2） 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。

第四 一个 8bit 流水线加法器的小例子  

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。