FPGA技术的流水线设计思想解析

　　流水线

　　这里先用通俗易懂的语言描述一下流水线设计思想。假设小A要从成都到哈尔滨旅游，如果直接坐火车过去恐怕要累得受不了；如果在旅程中间加几站，比如到西安、北京、天津找个客栈休息一下，路上就更加精力充沛了。 对于信号而言也是一样，加入一个状态为1的信号x需要从寄存器A传输到寄存器B，这条路线上只有组合逻辑（没有休息的地方），那么x必须保证在路上的时间保持1不变，如果传到一半值变为0了那就出错了。所以，A到B的延时就决定了系统的工作频率不能高于多少（否则会出错），系统的最大工作频率也是由最长路径上的延时决定的。 但是，假设在A到B这条路上，增加几个寄存器（信号休息的“客栈”），相当于将路径拆分为几段，信号x就不必再害怕丢失状态。缩短了路径，也就缩短了延时，也就提高了系统可以工作的最高频率。这个过程就称作“设计流水线化”。

无流水的FIR滤波器设计

1.搭建模型 《FPGA数字信号处理系列》中详细讨论过各种FIR滤波器的实现方法。本设计采用直接型FIR滤波器，并行结构，在Simulink中添加block按下图连接：

　　

　　上面的设计与本系列第2篇中的设计基本相同，除了将Digital FIR Filter替换为了自己设计的子系统。子系统设计方法如下：先按照直接型FIR结构连接好各个block（如下图），将所有的block选中，点击Simulink工具栏的Diagram-》Subsystem&Model Reference-》Create subsystem from selection。

　　

　　滤波器系数与本系列第2篇中相同，系统设置20MHz采样率，1.5MHz通带截止频率、8.5MHz阻带截止频率，对1MHz+9MHz的叠加信号滤波。上图中所有加法器（AddSub）和乘法器（Mult）中的Latency都为0，即纯组合逻辑。 为了System Generator在时序分析时检测到整个系统的时序，在FIR滤波器的输入和输出部分增加了一个Delay单元（在HDL模型中相当于寄存器）。 2.仿真验证与时序分析

　　运行仿真，滤波前后频谱结果如下，与第2篇中基本相同，滤除了9Mhz的频率分量，只留下了1MHz的正弦波信号：

　　

　　点击System Generator block中的Generate，运行时序分析：

　　

　　可以看到整个设计中最长的路径包含了1个乘法器和10个加法器，即直接从滤波器的输入到数据，线路延时有20.418ns，即系统最高运行频率不到50Mhz。 加法器流水线化 1.搭建模型 接下来将该设计流水线处理，来提高系统的运行速度。首先将加法器流水线化，有两种方法可以选择：1.在加法器之间加入Delay模块；2.将加法器的Latency设置为1，即一级流水。本设计采用更方便的第2中方法，修改子系统按下图连接：

　　

　　Vivado中绝大多数IP核都是可以流水线化的，通过设置Latency实现。需要清楚的是，当加法器的输出有延时之后（需要计算时间），加法器同抽头延时链之间的数据就不同步了，必须做如下修改：

　　加法器增加了一级延时，抽头延时链相应也要多增加一级延时，即将Delay模块的Latency设置为2；

　　FIR结构中在第一个乘法器的输出部分省略了一个加法器（相当于第一个乘法器的结果+0），因此为了数据同步需要增加一个延迟为1的delay block。

　　2.时序分析

　　运行仿真，结果与上面相同，表明设计正确。再次点击System Generator block中的Generate，重新导出设计并运行时序分析：

　　

　　我们可以看到，在加法器流水线化之后（相当于加法器的输出结果会用一级寄存器缓存），整个设计中的最长路径变为了最后的1个乘法器+1个加法器，该路径延时降低为了8.079ns，相当于系统最高频率提升到了大约125Mhz，比上一个设计提高了2倍多。 乘法器流水线化

　　1.搭建模型

　　既然上一个设计中的最长路径中包含一个纯组合逻辑的乘法器，那我们就把乘法器也流水线化，再把路径做进一步拆分好了。将乘法器的Latency设置为3（表示三级流水），子系统连接图为：

　　

　　2.时序分析

　　运行仿真，结果与上面相同，表明设计正确。再次点击System Generator block中的Generate，重新导出设计并运行时序分析：

　　

　　我们可以看到，在乘法器三级流水线化之后（相当于在计算乘法的整个过程中插入了三级寄存器作为缓存），整个设计中的最长路径变为了乘法器的输出到加法器这一段（不包含乘法运算），该路径延时降低为了3.401ns，相当于系统最高频率提升到了大约294Mhz，比最初的设计已经提高了大约6倍。 最后

　　总而言之，流水线化就是拆分组合逻辑路径，在路径中插入寄存器缓存中间结果的过程。当一个设计不满足我们期望的工作频率时，就需要从其延时最长的路径开始分析，将路径划分为多段，中间插入寄存器缓存。当然，流水线化会增加额外的资源消耗，选择“面积”还是选择“速度”正是设计者需要作出的考量。

　　编辑：黄飞