流水线技术原理和Verilog HDL实现

所谓流水线处理，如同生产装配线一样，将操作执行工作量分成若干个时间上均衡的操作段，从流水线的起点连续地输入，流水线的各操作段以重叠方式执行。这使得操作执行速度只与流水线输入的速度有关，而与处理所需的时间无关。这样，在理想的流水操作状态下，其运行效率很高。
  如果某个设计的处理流程分为若干步骤，而且整个数据处理是单流向的，即没有反馈或者迭代运算，前一个步骤的输出是下一个步骤的输入，则可以采用流水线设计方法来提高系统的工作频率。
  下面用8位全加器作为实例，分别列举了非流水线方法、2级流水线方法和4级流水线方法。
（1）非流水线实现方式

module adder_8bits(din_1, clk, cin, dout, din_2, cout);
    input [7:0] din_1;
    input clk;
    input cin;
    output [7:0] dout;
    input [7:0] din_2;
    output cout;
	 
	 reg [7:0] dout;
	 reg       cout;
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{cout,dout} <= din_1 + din_2 + cin;
	 end

endmodule

得到的RTL级仿真图为：


（2）2级流水线实现方式：

module adder_4bits_2steps(cin_a, cin_b, cin, clk, cout, sum);
    input [7:0] cin_a;
    input [7:0] cin_b;
    input cin;
    input clk;
    output cout;
    output [7:0] sum;
	 
	 reg cout;
	 reg cout_temp;
	 reg [7:0] sum;
	 reg [3:0] sum_temp;
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{cout_temp,sum_temp} = cin_a[3:0] + cin_b[3:0] + cin;
	 end
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{cout,sum} = {{1'b0,cin_a[7:4]} + {1'b0,cin_b[7:4]} + cout_temp, sum_temp};
	 end


endmodule

注意：这里在always块内只能用阻塞赋值方式，否则会出现逻辑上的错误！得到的功能仿真图为：

得到的电路仿真图为：


（3）4级流水线实现方式：

module adder_8bits_4steps(cin_a, cin_b, c_in, clk, c_out, sum_out);
    input [7:0] cin_a;
    input [7:0] cin_b;
    input c_in;
    input clk;
    output c_out;
    output [7:0] sum_out;
	 
	 reg c_out;
	 reg c_out_t1, c_out_t2, c_out_t3;
	 
	 reg [7:0] sum_out;
	 reg [1:0] sum_out_t1;
	 reg [3:0] sum_out_t2;
	 reg [5:0] sum_out_t3;
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{c_out_t1, sum_out_t1} = {1'b0, cin_a[1:0]} + {1'b0, cin_b[1:0]} + c_in;
	 end
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{c_out_t2, sum_out_t2} = {{1'b0, cin_a[3:2]} + {1'b0, cin_b[3:2]} + c_out_t1, sum_out_t1};
	 end
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{c_out_t3, sum_out_t3} = {{1'b0, cin_a[5:4]} + {1'b0, cin_b[5:4]} + c_out_t2, sum_out_t2};
	 end
	 
	 always @(posedge clk) begin
		{c_out, sum_out} = {{1'b0, cin_a[7:6]} + {1'b0, cin_b[7:6]} + c_out_t3, sum_out_t3};
	 end


endmodule

得到的功能仿真图为：

得到的电路仿真图为：


总结：利用流水线的设计方法，可大大提高系统的工作速度。这种方法可广泛运用于各种设计，特别是大型的、对速度要求较高的系统设计。虽然采用流水线会增大资源的使用，但是它可降低寄存器间的传播延时，保证系统维持高的系统时钟速度。在实际应用中，考虑到资源的使用和速度的要求，可以根据实际情况来选择流水线的级数以满足设计需要。
  这是一种典型的以面积换速度的设计方法。这里的“面积”主要是指设计所占用的FPGA逻辑资源数目，即利用所消耗的触发器（FF）和查找表（LUT）来衡量。“速度”是指在芯片上稳定运行时所能达到的最高频率。面积和速度这两个指标始终贯穿着FPGA的设计，是设计质量评价的最终标准。