????????之前在這篇專欄中講過流程之間的握手操作。

????????數(shù)字IC手撕代碼-握手信號（READY-VALID） - 嗶哩嗶哩 (bilibili.com)

????????今天講講流水線技術(shù)，以及如何用握手操作解決流水線因上游斷流及下游反壓導(dǎo)致的可能的數(shù)據(jù)丟失及計算錯誤問題。

????????所謂流水線，其實就是通過將一段具有長延時的組合邏輯，利用寄存器，切分成多段具有小延時的組合邏輯，從而達(dá)到提升整個模塊時鐘頻率的目的。

????????例如我們在兩個寄存器之間有一段組合邏輯，實現(xiàn)4個8bit數(shù)的乘加計算，代碼寫為：

????????assign result = a1*b1 + a2*b2 + a3*b3 + a4*b4；

????????這條語句的組合邏輯延時很大，有幾個原因，一個是四個乘法在一個組合邏輯實現(xiàn)，且串行執(zhí)行，再考慮四個數(shù)的加法，這樣組合邏輯的延時就會很大，可以利用流水線技術(shù)對這段組合邏輯進(jìn)行切分，將乘法和加法分開執(zhí)行且并行執(zhí)行，例如：

? ? ? ? 如圖所示，將一段長的乘加組合邏輯，切了兩級流水，把乘法和加法分開來，好處是顯而易見的，原來的組合邏輯延時是4個8bit乘法和3個16bit加法的延時，現(xiàn)在最大的組合邏輯延時是一個8bit乘法（因為四個乘法是并行執(zhí)行的），或者3個16bit加法延時，該模塊的最大時鐘頻率可以提高很多，這就是流水線技術(shù)。

????????運行結(jié)果如上，可以看到，數(shù)據(jù)因為做了兩級流水，結(jié)果會比直接一條組合邏輯走到底的慢一個周期，但是流水線完全轉(zhuǎn)起來之后，吞吐量都是一樣的。

????????好，前一專欄講完了握手，本文講完了流水線，下面講怎么把兩個結(jié)合在一起，實現(xiàn)流水握手。上面只有兩級流水，太短了，我們把戰(zhàn)線拉長一點，在原來的基礎(chǔ)上，令a1=c1+c2;b1=c3+c4;

即多加一級流水，分成如下3級。

????? ?確定好切分幾級流水以及各個流水的工作內(nèi)容后，就可以為各級流水線添加握手信號了。

????????握手信號我們采用的是預(yù)?。╬re-fetch）的方式，這種方式的握手可以解決數(shù)據(jù)卡在流水線中出不來的情況：對于本級來說，如果下一級準(zhǔn)備好了，或者本級的輸出為0（即本級流水肚子里沒貨），那么本級就可以接收數(shù)據(jù)。各級流水線運轉(zhuǎn)的條件是：本級流水準(zhǔn)備好（ready為高，且上級流水輸出有效valid為高，即ready_本級 && valid_上級時，本級流水才開始工作，如果上一級數(shù)據(jù)不有效或者本級還沒準(zhǔn)備好，那么流水線就會一直停滯，直到數(shù)據(jù)有效和流水ready同時滿足。

????????在第一級流水中，我們對a2~a4,b2~b4做了打一拍的操作，這里解釋下為什么，因為我們輸入的時候，a2~a4,b2~b4是跟c1~c4一起輸入的，但是我們規(guī)劃的流水線的第一級并沒有對a2~a4,b2~b4進(jìn)行操作而是在第二級對他們操作，所以如果我們不對輸入的a2~a4,b2~b4有效數(shù)據(jù)進(jìn)行一拍的緩存的話，若輸入數(shù)據(jù)僅有效一個周期時，那么下個周期的時候，流水線使用的a2~a4,b2~b4就會出錯，所以要在這里對第一級沒有處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行打一拍，保證同時刻進(jìn)來的數(shù)據(jù)走同一條流水。

同理可以寫第二級和第三級的流水：

如上，就完成了對三級流水線添加握手信號的操作。下面我們來測試一下：

????????在tb中分別模擬流水線正常工作、上游斷流、下游反壓以及最后數(shù)據(jù)傳輸完畢之后的狀態(tài)，看看在不同狀態(tài)下，流水線是否會出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸錯誤或者數(shù)據(jù)丟失的情況。

????????這里關(guān)鍵就是這個波形，請一定要看好，流水握手掌握了之后，在我們寫項目的過程中非常有用！

????????把整個模塊包裝成一個module后，我們這個就相當(dāng)于一個流水處理一段長延時組合邏輯的IP。對于我們這個IP來說，valid_i和ready_o同時為高時，數(shù)據(jù)有效，即a2\b2=2,3,6時數(shù)據(jù)是有效的，一開始數(shù)據(jù)有效了兩拍，分別是2和3，過了三拍后，數(shù)據(jù)輸出valid_o拉高兩拍，因為ready_i為1，所以下游可以接收數(shù)據(jù)，所以valid_o拉高兩周期把輸出的數(shù)據(jù)傳完后就拉低了。

????????輸入數(shù)據(jù)有效兩周期后，流水線斷流，從而導(dǎo)致輸入數(shù)據(jù)無效，所以流水線在輸出兩個結(jié)果后valid_o保持為低，直到上游又輸入有效數(shù)據(jù)。

????????此時進(jìn)入下游反壓狀態(tài)，下游反壓并不會立刻反饋到第一級的流水，而是由下至上逐級反饋，所以下游反壓的時候，空的流水線不會立即停止，而是等數(shù)據(jù)把流水線灌滿之后才停止。下游反壓時，流水線進(jìn)了三周期數(shù)據(jù)6，把流水線灌滿之后，流水線就停滯了（表現(xiàn)為ready_o拉低，告訴上游我吃不進(jìn)數(shù)據(jù)了）。

????????數(shù)據(jù)停止傳輸時，又把ready_i拉高，即下游不反壓了，但此刻上游數(shù)據(jù)已經(jīng)傳輸完畢，所以流水線不再接受數(shù)據(jù)，而是把之前吃進(jìn)來的三周期數(shù)據(jù)6，計算后再吐出來，可以看到確實輸出時ready_i和valid_o同時保持三周期高，把三級流水線內(nèi)部數(shù)據(jù)吐完后，valid_o拉低，流水線清空。

????? ? 這段流水握手的代碼是我寫的比較好看的一段代碼，解決了我特別多的數(shù)據(jù)傳輸問題，大家感興趣的可以借鑒。

????????相關(guān)的.v文件我上傳網(wǎng)盤了，大概總量一百多行，b站顯示不全所以直接傳網(wǎng)盤分析，喜歡的同學(xué)可以點個贊，感謝。

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