SpinalHDL里pipeline的設(shè)計思路

如果你曾看過VexRSICV的設(shè)計，對于從事邏輯設(shè)計的你會驚訝從未想過邏輯設(shè)計還能這么來做。針對VexRSICV所衍生出的pipeline Lib，該系列會對pipeline進(jìn)行一次梳理。誠如之前一篇博客曾講，這是“勇者的游戲”。

雖然并未從事CPU設(shè)計，但這里pipeline的庫讀完還是當(dāng)浮一大白～

》傳統(tǒng)的設(shè)計思路

借用博客《The VexRiscV CPU - A New Way to Design》中的觀點，在CPU設(shè)計里，一條典型的五級流水線：

???

在傳統(tǒng)的流水線設(shè)計里，一條指令切分到不同的Stage中，每增加一條指令，我們可能就需要對各個Stage進(jìn)行修改，牽一發(fā)而動全身。如果對于流水線每個階段都了然于胸，那么自不是問題，否則那就是噩夢級別的難度了～。

那么，是否有新的方式來做一次流水線設(shè)計的創(chuàng)新呢？

來看看SpinalHDL里pipeline的設(shè)計思路。

》高端操作

本篇為開篇系列，先從整體架構(gòu)上看SpinalHDL中pipeline的設(shè)計整體框架，暫不牽涉具體的設(shè)計細(xì)節(jié)。

我們先來看一個非常簡單的“pipeline”：

從A到B經(jīng)歷三級流水線，每經(jīng)一級加一輸出至下一級。

回到電路設(shè)計的本質(zhì)。在FPGA里面，除了RAM、DSP這些資源，邏輯實現(xiàn)的核心只有LUT喝Reg。LUT負(fù)責(zé)實現(xiàn)邏輯實現(xiàn)，Reg負(fù)責(zé)狀態(tài)保存。在上面的三級流水里，我們要思索的無非兩個問題：

每一級流水線都做了什么

流水線各級是如何進(jìn)行連接的

那么在看看上面的電路。每級流水線里面都是一個加法器和一個寄存器輸出。加法器這些功能性的實現(xiàn)才是每一級Stage的功能。而寄存器則用于連接本級Stage與下一級Stage。也就意味著，每一級流水線都是邏輯電路負(fù)責(zé)實現(xiàn)功能，時序電路寄存器用于Stage連接。為此，對于pipeline我們可以抽象為下面的要素：

Stage:僅考慮具體的功能實現(xiàn)，它包含了輸入、輸出以及具體的邏輯實現(xiàn)。

Connection:僅用于實現(xiàn)各級Stage的連接。

在邏輯電路設(shè)計里，不要總是想著把功能實現(xiàn)和時序設(shè)計給拼到一塊兒。將上面的概念與最上面的三級流水對照，那么加法器就是對應(yīng)的Stage的功能，一個組合電路。而寄存器就對應(yīng)Connection的功能。

SpinalHDL是基于Scala而設(shè)計，其能夠幫助我們自動實現(xiàn)很多功能。比如兩級Stage之間都有哪些信號是要通過Connection進(jìn)行連接，對應(yīng)的流水線功能如flush、halt能功能如何在各級Stage之間進(jìn)行傳播等功能。我們所需要做的，就是通過一定的規(guī)則告訴pipeline如何去做這些事情。

接下來，先針對pipeline所涉及的Pipeline、Stage、Connection、Stageable、StageableKey進(jìn)行一個初步整體了解。

審核編輯：劉清