FPGA设计中几种常见的反压方式

FPGA的设计中，一个前级模块A向下游模块B发送数据，如下图所示，当下游模块B不能及时处理数据时，希望前级模块A停止发送数据，这个时候模块B会通过一个反压信号给到模块A，告诉模块A，不要再给我发数据了。这就是一种最常见，也是用得最普遍的一种发压场景。

那究竟要如何设计反压呢？看似简单，其实也不简单，处理不好的话对系统的稳定性和性能会带来一定的影响。本文介绍几种常见的反压方式，并给出他们的一些优缺点。

立即反压

所谓立即反压，就是指下游模块给出反压后，前级模块立即停止发包，如下图所示：

一共有7个数据，但是真正能被下游模块接收的数据只有6个，其中数据E在发送的时候因为ready无效，所以不能被接收。如果对axi_stream接口比较了解的话，可以看出，这就是axi_stream接口，只有在valid和ready同时有效的时候的数据才能被接收。

它的优点就是能立即反压，尤其是下游模块没有缓存的时候。另外就是这种接口是标准接口，和外部模块对接的时候不会有歧义。缺点就是因为需要立即反压，组合逻辑处理比较简单，如果用时序逻辑，控制起来不是很方便。

将满反压

如果下游接收模块有缓存，一般是fifo或者ram。当缓存快要满的时候，会给前级模块反压，这就是将满反压。如下图所示：

这种反压的特点就是下游模块给出反压信号后，前级模块还可以继续写入一些数据，一般不超过5拍。上图中，虽然afull = 1了，但是前级模块还会继续写入2个数据，数据F和数据G。同时下游模块也要控制好缓存的水限，在给出反压信号后还要预留一定的缓存空间，具体多少，需要和前级模块配合好，笔者的经验，一般预留8个以上。

如下图所示缓存的深度为128，当数据写满100以后给出反压，此时缓存还可以写入28个数据，该缓存的水限就为100。

这种将满反压的优点就是处理非常方便，只要下游模块不反压，就可以不停地写入数据，控制非常方便，另外下游模块缓存的深度和前级模块无关，一般用于项目内部模块之间。至于缺点，如果一定要找一个缺点，那就是下游模块必须有缓存，而立即反压可以不需要。

另外，对于缓存，到底是用ram还是用fifo，应该根据场景来确定，通常情况下用fifo可以满足大部分的应用场景。

整包反压

上述将满反压，如果反压频繁的话，会给前级模块的处理带来一点点的复杂度，为了简化这种反压带来的影响，还有一种叫整包反压。和将满反压相比，就是下游模块给出反压信号后，前级模块会把当前的数据报文全部发送给下游模块，如下图所示：

当数据在传输的过程中，如果下游模块给出反压使得afull = 1，前级模块会继续发送报文，直到报文的eop为止。这种场景下，首先需要约定报文的最大长度，假定为MAX_LEN，那么对下游的缓存就会有要求，其容量至少为MAX_LEN，考虑到流水性能，其容量要为2*MAX_LEN，同时水限的设置要保证反压后的空间至少能存放一个报文。

这种方案的优点是控制简单，只要开始发送的时候不反压，就可以把当前的报文全部发送完。缺点就是当约定的MAX_LEN比较大时，需要较多的缓存开销。

小结

反压是FPGA设计中的一个最基本且重要的话题，在实际应用中，模块与模块之间的反压要做好“逐级反压”，当反压点与缓存较远的时候，尤其要考虑在途的数据，反压后的空间要能缓存住在途数据。除了上述的几种方案外，请求应答接口某种意义上也是一种反压的设计，只是性能较低罢了，一般不建议采用。