炼狱传奇—流水线设计之战

梦翼师兄

炼狱传奇—流水线设计之战 [复制链接]

流水线的设计，就是指对延时较大的组合逻辑，插入寄存器，把较大的组合逻辑拆分成几个时钟周期来完成，以提高系统的最大时钟频率。但是这样做，会导致数据输出的延时，假若插入一个寄存器，则数据输出就到产生一个时钟周期的延时，假若插入N个寄存器，就会产生N个时钟周期的延时，下面我们用一幅图来描述这种关系。

上图的总延时等于max{2，3} + 4 = 7ns；系统的时钟周期必须要大于7ns。当经过流水线改造之后，如下图所示：

经过流水线改造之后，总延时等于max{2,3} + 1 + 4 = 8ns；但是系统的时钟周期只要大于4ns即可，总处理数据的吞吐量增加了。

       下面我们用一个很简单的例子来实现以下流水线改造，假若我们现在要实现(4*a+6*b)-10。现在我们使用原理图的方法来实现这一算法。

       首先像以往一样，新建一个项目；

       新建一个项目之后，我们就不需要建verilog HDL file，而是新建一个Block Diagram / Schematic File，如下图所示：

        然后我们在新建的原理图里面，双击一下鼠标左键，然后在左上角的library里面找到lpm_mult，如下图所示：

       点击OK，选择一下程序保存的路径然后选择next，如下图所示：

       按next之后，会弹出配置乘法器的选项，如下图所示：

这里是选择乘法器的位宽，直接按next得到下图所示：

   

如上图所示，选择让输入的数据乘以一个常数，然后按finish；同理再新建一个输入的数据乘以常数6的乘法器。

       现在我们已经实现了4*a与6*b，接下来我们新建一个加法器双击原理图，在library里面找到lmp_add_sub,然后点击OK，选择好程序保存的路径之后，就会出现配置加法的选项，如下图所示：

   

       选择仅仅使用加法，而且把位宽调到16位，就可以按finsh了。然后我们现在就完成了(4*a + 6*b)，现在我们来新建一个减法，就如新建加法一样，双击原理图，在library里面找到lmp_add_sub，然后点击OK，选择好程序保存的路径之后，就会出现配置减法的选项，如下图所示：

选择仅仅使用减法，而且把位宽调到16位，然后按next如下图所示：

   

       选择输入的数据减去一个固定的常数，然后选择finish即可。接着我们新建一个Verilog HDL File文件，写一个16位的寄存器组；

代码如下：

       接着我们选择左上角的File，然后选择Creat/Updata，再选择CrearSymbol File

然后我们回到原理图的文件里面，双击原理图，在左上角的library里面会多出一个projet，然后在projet里面找到刚才写的寄存器，然后双击放进原理图里面，然后我们用一样的方法，再新建一个8位位宽的寄存器组，然后放进原理图里面，完成之后把线连接好，如下图所示：

然后还没有接线的模块，可以选择右键，选择Generate Pins forSymbol Ports

然后再把未接上的线给全部接上，如下图所示：

把所以先接上之后，可以按crtl+l，进行全编译，查看静态时序分析，观察系统时钟最大频率是多少。如下图所示：

   

       由上图可知，在还未改造成流水线结构的时候，系统时钟的最大频率是166.58Mhz，然后我们现在开始改造流水线结构，看看系统时钟最大频率能上升多少，改流水线结构，如下图所示：

在改造流水线之后，我们可以再一次全编译(ctrl + k)，之后我们再继续查看静态时序分析报告，观察系统时钟频率的最大值，如下图所示：

  

经过流水线改造之后，系统时钟的最大频率由166.58Mhz提升至了332.45Mhz，提升了2倍系统时钟频率。

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概念讲解清楚明白，不错