【Verilog 流水线设计】以全加器为例阐述流水线设计的影响

目录

流水线设计思想

全加器

非流水线全加器设计

Verilog设计

testbench设计

仿真波形

RTL视图

资源使用情况

流水线加法器设计

Verilog设计

testbench设计

仿真波形

RTL视图

资源使用情况

总结

---

 

流水线设计思想

关于流水线对于FPGA设计中的作用，既有利也有弊，优点是能够优化时序从而提高系统运行的最大频率，缺点是增加延时，因为流水线的设计思想就是在计算过程中插入寄存器，从而增加了延时，下面就以一个八位全加器的例子去验证以上的论述。

全加器

全加器英语名称为full-adder，是用门电路实现两个二进制数相加并求出和的组合线路，称为一位全加器。一位全加器可以处理低位进位，并输出本位加法进位。多个一位全加器进行级联可以得到多位全加器。

以下为全加器的真值表，可以看到其实和普通的加法没什么差别，就多了一个进位数，直接累加上就行。

非流水线全加器设计

不使用流水线的话，就比较简单粗暴，直接两个加数和进位一同相加得到最终的加法结果和进位值。

Verilog设计

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/ 
 
/* Engineer    : Linest-5                                                        
/* File        : add_no_pipeline.v                                                         
/* Create      : 2022-09-02 09:29:04
                                           
/* Module Name : add_no_pipeline                                                  
/* Description : 全加器非流水线设计                                                                         
                                                                              
 
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
 
module add_pipeline(
    input             clk,
    input [7:0]       a,
    input [7:0]       b,
    input             cin,
    output reg [7:0]  sum,
    output reg        cout
);
 
 
always @(posedge clk) begin
    {cout,sum} <= a + b + cin;
end
 
endmodule 

testbench设计

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/ 
 
/* Engineer    : Linest-5                                                         
/* File        : tb_add_no_pipeline.v                                                         
/* Create      : 2022-09-02 09:34:46
                                                 
/* Module Name : tb_add_no_pipeline                                                  
/* Description : 全加器非流水线设计仿真模块                                                                                                                  
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
 
`timescale 1ns/1ps
module tb_add_no_pipeline();
 
reg           clk;
reg  [7:0]    a;
reg  [7:0]    b;
reg           cin;
wire [7:0]    sum;
wire          cout;
 
initial begin
clk = 'd1;
end
always #10 clk = ~clk;
always #20 a   <= {$random}%256;
always #20 b   <= {$random}%256;
always #20 cin <= {$random}%2;
add_pipeline inst_add_pipeline (
.clk(clk), 
.a(a), 
.b(b), 
.cin(cin), 
.sum(sum), 
.cout(cout)
);
endmodule

仿真波形

可以很清晰的看到，加数为237和140，相加为377，这超过了8位最大值，因此需要进一位，最终加法结果为sum = 377-255 = 122，进位cout = 1，并且只使用了一拍时钟周期就得到了结果。

 

RTL视图

从RTL图中可以看到结构很简单，两个加法器并对输出结果打一拍即可。

资源使用情况

可以看到LUT使用了8个，触发器使用了9个。

 

流水线加法器设计

这里使用一级流水设计方法，即将a、b 8位加法拆分开计算，分别计算a、b 的低四位和高四位，将最终的结果拼接在一起即得到最终的计算结果。

Verilog设计

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/ 
 
/* Engineer    : Linest-5                                                         
/* File        : add_pipeline.v                                                         
/* Create      : 2022-09-02 09:25:18
                                               
/* Module Name : add_pipeline                                                  
/* Description : 全加器的流水线设计                                                                         
 
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
 
module add_pipeline(
    input             clk,
    input [7:0]       a,
    input [7:0]       b,
    input             cin,
    output reg [7:0]  sum,
    output reg        cout
);
reg  [3:0]        a_reg;
reg  [3:0]        b_reg;
reg  [3:0]        sum1;
reg               cout1;
 
//计算低四位
always @(posedge clk) begin
    {cout1,sum1} <= a[3:0] + b[3:0] + cin;
    a_reg        <= a[7:4];
    b_reg        <= b[7:4];
end
 
//计算高四位
always @(posedge clk) begin
    {cout,sum[7:4]}  <= a_reg + b_reg + cout1;
    sum[3:0]         <= sum1;
    
end
 
endmodule 

testbench设计

/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/ 
 
/* Engineer    : Linest-5                                                         
/* File        : tb_add_pipeline.v                                                         
/* Create      : 2022-09-02 09:30:52
                                                
/* Module Name : tb_add_pipeline                                                  
/* Description : 全加器的流水线设计仿真模块                                                                         
 
/*~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~*/
 
`timescale 1ns/1ps
module tb_add_pipeline();
 
reg           clk;
reg  [7:0]    a;
reg  [7:0]    b;
reg           cin;
wire [7:0]    sum;
wire          cout;
 
initial begin
clk = 'd1;
end
always #10 clk = ~clk;
always #20 a   <= {$random}%256;
always #20 b   <= {$random}%256;
always #20 cin <= {$random}%2;
add_pipeline inst_add_pipeline (
.clk(clk), 
.a(a), 
.b(b), 
.cin(cin), 
.sum(sum), 
.cout(cout)
);
endmodule

仿真波形

可以看到和非流水线设计的仿真图形不同的是，加法结果需两个时钟周期才能出结果，结果也是正确的，这与前面说的一致。

 

RTL视图

从RTL图可以看到，相比较非流水线的RTL图，流水线设计的全加器使用的资源明显更多，在计算链上插入了红框中的寄存器，这样可以一定程度上优化时序并提高系统的最大工作频率值。

资源使用情况

与非流水线设计的相比，LUT同样使用了8个，但是触发器个数却是其2倍多，这就是流水线设计的弊端，尤其是大位宽的计算，更是资源消耗成倍的增加，这就是有得必有失。

 

总结

流水线设计在FPGA中应用得很广泛，至于什么时候选择使用流水线设计：当资源充足的情况下，需要提高系统运行速率，这时就可以使用流水线的设计，这是用资源换速率的案例，当然使用的流水线的部分计算延时也会增加，但能提高整体系统的运行速率，这点延迟可以忽略不计。