SpinalHDL里pipeline的设计思路

如果你曾看过VexRSICV的设计，对于从事逻辑设计的你会惊讶从未想过逻辑设计还能这么来做。针对VexRSICV所衍生出的pipeline Lib，该系列会对pipeline进行一次梳理。诚如之前一篇博客曾讲，这是“勇者的游戏”。

虽然并未从事CPU设计，但这里pipeline的库读完还是当浮一大白～

》传统的设计思路

借用博客《The VexRiscV CPU - A New Way to Design》中的观点，在CPU设计里，一条典型的五级流水线：

   

在传统的流水线设计里，一条指令切分到不同的Stage中，每增加一条指令，我们可能就需要对各个Stage进行修改，牵一发而动全身。如果对于流水线每个阶段都了然于胸，那么自不是问题，否则那就是噩梦级别的难度了～。

那么，是否有新的方式来做一次流水线设计的创新呢？

来看看SpinalHDL里pipeline的设计思路。

》高端操作

本篇为开篇系列，先从整体架构上看SpinalHDL中pipeline的设计整体框架，暂不牵涉具体的设计细节。

我们先来看一个非常简单的“pipeline”：

从A到B经历三级流水线，每经一级加一输出至下一级。

回到电路设计的本质。在FPGA里面，除了RAM、DSP这些资源，逻辑实现的核心只有LUT喝Reg。LUT负责实现逻辑实现，Reg负责状态保存。在上面的三级流水里，我们要思索的无非两个问题：

每一级流水线都做了什么

流水线各级是如何进行连接的

那么在看看上面的电路。每级流水线里面都是一个加法器和一个寄存器输出。加法器这些功能性的实现才是每一级Stage的功能。而寄存器则用于连接本级Stage与下一级Stage。也就意味着，每一级流水线都是逻辑电路负责实现功能，时序电路寄存器用于Stage连接。为此，对于pipeline我们可以抽象为下面的要素：

Stage:仅考虑具体的功能实现，它包含了输入、输出以及具体的逻辑实现。

Connection:仅用于实现各级Stage的连接。

在逻辑电路设计里，不要总是想着把功能实现和时序设计给拼到一块儿。将上面的概念与最上面的三级流水对照，那么加法器就是对应的Stage的功能，一个组合电路。而寄存器就对应Connection的功能。

SpinalHDL是基于Scala而设计，其能够帮助我们自动实现很多功能。比如两级Stage之间都有哪些信号是要通过Connection进行连接，对应的流水线功能如flush、halt能功能如何在各级Stage之间进行传播等功能。我们所需要做的，就是通过一定的规则告诉pipeline如何去做这些事情。

接下来，先针对pipeline所涉及的Pipeline、Stage、Connection、Stageable、StageableKey进行一个初步整体了解。

审核编辑：刘清