如果你曾看過(guò)VexRSICV的設(shè)計(jì)，對(duì)于從事邏輯設(shè)計(jì)的你會(huì)驚訝從未想過(guò)邏輯設(shè)計(jì)還能這么來(lái)做。針對(duì)VexRSICV所衍生出的pipeline Lib，該系列會(huì)對(duì)pipeline進(jìn)行一次梳理。誠(chéng)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(jì)，但這里pipeline的庫(kù)讀完還是當(dāng)浮一大白～

》傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

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

???

在傳統(tǒng)的流水線設(shè)計(jì)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(duì)各個(gè)Stage進(jìn)行修改，牽一發(fā)而動(dòng)全身。如果對(duì)于流水線每個(gè)階段都了然于胸，那么自不是問(wèn)題，否則那就是噩夢(mèng)級(jí)別的難度了～。

那么，是否有新的方式來(lái)做一次流水線設(shè)計(jì)的創(chuàng)新呢？

來(lái)看看SpinalHDL里pipeline的設(shè)計(jì)思路。

》高端操作

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

我們先來(lái)看一個(gè)非常簡(jiǎn)單的“pipeline”：

從A到B經(jīng)歷三級(jí)流水線，每經(jīng)一級(jí)加一輸出至下一級(jí)。

回到電路設(shè)計(jì)的本質(zhì)。在FPGA里面，除了RAM、DSP這些資源，邏輯實(shí)現(xiàn)的核心只有LUT喝Reg。LUT負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)邏輯實(shí)現(xiàn)，Reg負(fù)責(zé)狀態(tài)保存。在上面的三級(jí)流水里，我們要思索的無(wú)非兩個(gè)問(wèn)題：

每一級(jí)流水線都做了什么

流水線各級(jí)是如何進(jìn)行連接的

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

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

Connection:僅用于實(shí)現(xiàn)各級(jí)Stage的連接。

在邏輯電路設(shè)計(jì)里，不要總是想著把功能實(shí)現(xiàn)和時(shí)序設(shè)計(jì)給拼到一塊兒。將上面的概念與最上面的三級(jí)流水對(duì)照，那么加法器就是對(duì)應(yīng)的Stage的功能，一個(gè)組合電路。而寄存器就對(duì)應(yīng)Connection的功能。

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

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

審核編輯：劉清