四種常用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)思想與技巧之流水線操作

　　四種常用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)思想與技巧之流水線操作

　　本系列討論的四種常用FPGA/CPLD設(shè)計(jì)思想與技巧：乒乓操作、串并轉(zhuǎn)換、流水線操作、數(shù)據(jù)接口同步化，都是FPGA/CPLD邏輯設(shè)計(jì)的內(nèi)在規(guī)律的體現(xiàn)，合理地采用這些設(shè)計(jì)思想能在FPGA/CPLD設(shè)計(jì)工作種取得事半功倍的效果。

　　FPGA/CPLD 的設(shè)計(jì)思想與技巧是一個(gè)非常大的話題，由于篇幅所限，本文僅介紹一些常用的設(shè)計(jì)思想與技巧，包括乒乓球操作、串并轉(zhuǎn)換、流水線操作和數(shù)據(jù)接口的同步方法。希望本文能引起工程師們的注意，如果能有意識(shí)地利用這些原則指導(dǎo)日后的設(shè)計(jì)工作，將取得事半功倍的效果！

　　流水線操作設(shè)計(jì)思想

　　首先需要聲明的是，這里所講述的流水線是指一種處理流程和順序操作的設(shè)計(jì)思想，并非FPGA、ASIC設(shè)計(jì)中優(yōu)化時(shí)序所用的“Pipelining”。

　　流水線處理是高速設(shè)計(jì)中的一個(gè)常用設(shè)計(jì)手段。如果某個(gè)設(shè)計(jì)的處理流程分為若干步驟，而且整個(gè)數(shù)據(jù)處理是“單流向”的，即沒有反饋或者迭代運(yùn)算，前一個(gè)步驟的輸出是下一個(gè)步驟的輸入，則可以考慮采用流水線設(shè)計(jì)方法來提高系統(tǒng)的工作頻率。

　　流水線設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其基本結(jié)構(gòu)為：將適當(dāng)劃分的n個(gè)操作步驟單流向串聯(lián)起來。流水線操作的最大特點(diǎn)和要求是，數(shù)據(jù)流在各個(gè)步驟的處理從時(shí)間上看是連續(xù)的，如果將每個(gè)操作步驟簡(jiǎn)化假設(shè)為通過一個(gè)D觸發(fā)器(就是用寄存器打一個(gè)節(jié)拍)，那么流水線操作就類似一個(gè)移位寄存器組，數(shù)據(jù)流依次流經(jīng)D觸 發(fā)器，完成每個(gè)步驟的操作。流水線設(shè)計(jì)時(shí)序如圖2所示。

　　流水線設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵在于整個(gè)設(shè)計(jì)時(shí)序的合理安排，要求每個(gè)操作步驟的劃分合理。如果前級(jí)操作時(shí)間恰好等于后級(jí)的操作時(shí)間，設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，前級(jí)的輸出直接匯入后級(jí)的輸入即可；如果前級(jí)操作時(shí)間大于后級(jí)的操作時(shí)間，則需要對(duì)前級(jí)的輸出數(shù)據(jù)適當(dāng)緩存才能匯入到后級(jí)輸入端；如果前級(jí)操作時(shí)間恰好小于后級(jí)的操作時(shí) 間，則必須通過復(fù)制邏輯，將數(shù)據(jù)流分流，或者在前級(jí)對(duì)數(shù)據(jù)采用存儲(chǔ)、后處理方式，否則會(huì)造成后級(jí)數(shù)據(jù)溢出。

　　在WCDMA設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到流水線處理的方法，如RAKE接收機(jī)、搜索器、前導(dǎo)捕獲等。流水線處理方式之所以頻率較高，是因?yàn)閺?fù)制了處理模塊，它是面積換取速度思想的又一種具體體現(xiàn)。