verilog流水线设计代码_流水线cpu设计verilog

全栈程序员-用户IM • 2022年8月14日上午8:16 • 未分类

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介绍

定义：流水线设计就是将组合逻辑分割，并在各级之间插入寄存器，暂存中间数据的方法。以面积换速度。
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优点：每一部分延时降低——可用更快的时钟；大部分电路同时运算——提高数据吞吐率。
缺点：增加面积；流水线并不减小单个数据操作的时间，减小的是整个数据流的操作时间；
（不懂）功耗增加，硬件复杂度增加，特别对于复杂逻辑如 cpu 的流水线而言，流水越深，发生需要 hold 流水线或 reset 流水线的情况时，时间损失越大。所以使用流水线并非有利无害，大家需权衡考虑。
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应用场景：
1）组合逻辑太长，比如(a+b)*c，那么在加法和乘法之间插入寄存器是比较稳妥的做法。
2）功能模块之间的流水线，用乒乓 buffer来交互数据。代价是增加了 memory 的数量，但是和获得的巨大性能提升相比，可以忽略不计。（详见乒乓设计）

(3 4不懂)
3） I/O 瓶颈，比如某个运算需要输入 8 个数据，而 memroy 只能同时提供 2 个数据，如果通过适当划分运算步骤，使用流水线反而会减少面积。
4）片内 sram 的读操作，因为 sram 的读操作本身就是两极流水线，除非下一步操作依赖读结果，否则使用流水线是自然而然的事情。

举例 8bit 流水线加法器
非流水线：

  input  [7:0] a;
  input  [7:0] b;
  output [8:0] c;
  assign c[8:0] = { 
   1'd0, a} + {1'd0, b};

两级流水线：第一级低 4bit,第二级高 4bit，所以第一个输出需要 2 个时钟周期有效，后面的数据都是 1 个周期之后有效。

  input          cin;
  input  [7:0]   cina;
  input  [7:0]   cinb;
  
  output [7:0]   sum;
  output         cout;
  
  reg            cout;
  reg            cout1; //插入的寄存器
  reg   [3 :0 ]  sum1 ; //插入的寄存器
  reg   [7 :0 ]  sum;
  reg   [3:0]    cina_reg;
  reg   [3:0]    cinb_reg;//插入的寄存器
  
  
  always @(posedge clk) //第一级流水
  begin
    { 
   cout1 , sum1} <= cina[3:0] + cinb [3:0] + cin ;
  end
  always @(posedge clk) //第一级同时要寄存高4位
  begin
    cina_reg <= cina[7:4];
    cinb_reg <= cinb[7:4];
  end
  
  always @(posedge clk) //第二级流水
  begin
    { 
   cout ,sum[7:0]} <= { 
   { 
   1'b0,cina_reg[3:0]} + {1'b0,cinb_reg[3:0]} + cout1 ,sum1[3:0]} ;
  end