四種常用FPGA/CPLD設計思想與技巧之流水線操作

　　本系列討論的四種常用FPGA/CPLD設計思想與技巧：乒乓操作、串并轉換、流水線操作、數據接口同步化，都是FPGA/CPLD邏輯設計的內在規律的體現，合理地采用這些設計思想能在FPGA/CPLD設計工作種取得事半功倍的效果。

　　FPGA/CPLD 的設計思想與技巧是一個非常大的話題，由于篇幅所限，本文僅介紹一些常用的設計思想與技巧，包括乒乓球操作、串并轉換、流水線操作和數據接口的同步方法。希望本文能引起工程師們的注意，如果能有意識地利用這些原則指導日后的設計工作，將取得事半功倍的效果！

　　流水線操作設計思想

　　首先需要聲明的是，這里所講述的流水線是指一種處理流程和順序操作的設計思想，并非FPGA、ASIC設計中優化時序所用的“Pipelining”。

　　流水線處理是高速設計中的一個常用設計手段。如果某個設計的處理流程分為若干步驟，而且整個數據處理是“單流向”的，即沒有反饋或者迭代運算，前一個步驟的輸出是下一個步驟的輸入，則可以考慮采用流水線設計方法來提高系統的工作頻率。

　　流水線設計的結構示意圖如圖1所示。其基本結構為：將適當劃分的n個操作步驟單流向串聯起來。流水線操作的最大特點和要求是，數據流在各個步驟的處理從時間上看是連續的，如果將每個操作步驟簡化假設為通過一個D觸發器(就是用寄存器打一個節拍)，那么流水線操作就類似一個移位寄存器組，數據流依次流經D觸 發器，完成每個步驟的操作。流水線設計時序如圖2所示。

　　流水線設計的一個關鍵在于整個設計時序的合理安排，要求每個操作步驟的劃分合理。如果前級操作時間恰好等于后級的操作時間，設計最為簡單，前級的輸出直接匯入后級的輸入即可；如果前級操作時間大于后級的操作時間，則需要對前級的輸出數據適當緩存才能匯入到后級輸入端；如果前級操作時間恰好小于后級的操作時 間，則必須通過復制邏輯，將數據流分流，或者在前級對數據采用存儲、后處理方式，否則會造成后級數據溢出。

　　在WCDMA設計中經常使用到流水線處理的方法，如RAKE接收機、搜索器、前導捕獲等。流水線處理方式之所以頻率較高，是因為復制了處理模塊，它是面積換取速度思想的又一種具體體現。