問(wèn)題提出：ready時(shí)序如何優(yōu)化？

在valid/ready 握手協(xié)議中，valid 與 data的時(shí)序優(yōu)化比較容易理解。

但是有時(shí)候，關(guān)鍵路徑是在ready信號(hào)上，如何對(duì)ready信號(hào)打拍呢？

首先將把目標(biāo)設(shè)計(jì)想象成一個(gè)黑盒子,如圖1所示，我們的目標(biāo)是將READY_DOWN通過(guò)打拍的方法獲得時(shí)序優(yōu)化。

（圖1）

嘗試直接對(duì)ready打一拍

（僅示例，非verilog代碼。下同）

這樣是行不通的。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子（case 1）就是你讓READY_DOWN像一個(gè)時(shí)鐘一個(gè)，間隔一個(gè)cycle起來(lái)一次，那么VALID_UP && READY_UP 與 VALID_DOWN && READY_DOWN無(wú)法同步，數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸下去。

思路：將其分解成兩個(gè)interfaces

將ready打拍的邏輯想象成一個(gè)黑盒子，去分析這個(gè)黑盒子的設(shè)計(jì)，分為up interface 和down interface將問(wèn)題細(xì)化：

• up interface 有VALID_UP, DATA_UP, READY_UP

• down interface 有VALID_DOWN, DATA_DOWN, READY_DOWN

  可以總結(jié)成下面的樣子：

如果去解決剛才例子（case 1）,那么這個(gè)黑盒子：

當(dāng)READY_UP為高的時(shí)候，可以接受數(shù)據(jù);

當(dāng)READY_DOWN為高的時(shí)候， 如果我們有數(shù)據(jù)可發(fā)的話 ，我們可以向downstream發(fā)送數(shù)據(jù);

是不是很像一個(gè)FIFO？

用FIFO去解決

將一個(gè)FIFO插在黑盒子這里，那么就會(huì)變成這樣子：

（圖2）

VALID_UP/READ_YUP ==> FIFO ==> VALID_DOWN/READY_DOWN

也就是:

現(xiàn)在問(wèn)題變成了：如何設(shè)計(jì)這個(gè)FIFO呢？

• 這個(gè)FIFO深度多少？
• 怎么設(shè)計(jì)，能夠保證READY_UP是READY_DOWN打過(guò)一拍的呢？

FIFO設(shè)計(jì)多深？

因?yàn)楸旧韛alid/ready協(xié)議是 反壓協(xié)議 ( 也就是READY_UP為0的時(shí)候，不會(huì)寫(xiě)FIFO，而不會(huì)導(dǎo)致FIFO溢出 )而且此處的讀寫(xiě)時(shí)鐘是同一個(gè)時(shí)鐘，是一個(gè)同步FIFO，所以FIFO深度是1或者2就足夠了。

深度是1還是2要看極端情況下需要存儲(chǔ)幾筆數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)單分析可以知道，只有一種情況會(huì)去向FIFO中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)：

• READY_UP是1，可以從upstream接收數(shù)據(jù)
• 同時(shí)READY_DOWN是0，不可以向downstream發(fā)送數(shù)據(jù)

這種情況在極端情況下最多維持多久呢？

答案是： 一個(gè)周期 。

因?yàn)槿绻鹀ycle a 時(shí)：READY_DOWN=0,那么cycle a+1時(shí)，READY_UP變?yōu)?了，開(kāi)始反壓，所以只用存一個(gè)數(shù)就夠了。

所以設(shè)計(jì)為一個(gè)深度為1的FIFO就可以了。

深度為1的FIFO有很多特點(diǎn)，設(shè)計(jì)起來(lái)比較簡(jiǎn)單。比如：wr_ptr/rd_ptr始終指向地址0，所以我們可以刪掉wr_ptr和rd_ptr，因?yàn)槭且粋€(gè)常值0。

簡(jiǎn)單的depth-1 FIFO實(shí)現(xiàn)

使用depth-1 FIFO傳輸數(shù)據(jù)，可以這樣設(shè)計(jì)：

這解決了READY打拍的問(wèn)題。但是這里有一些可以改進(jìn)的地方，比如：

• 是不是可以擠掉多于的氣泡？
• 在FIFO為空的時(shí)候，數(shù)據(jù)是不是可以直接bypass FIFO？

無(wú)氣泡傳輸

具體的說(shuō)，就是既然你這里有個(gè)深度為1的FIFO了，那么我是不是可以利用起來(lái)，放點(diǎn)數(shù)據(jù)啊……

當(dāng)READY_DOWN持續(xù)是0的時(shí)候，READY_UP依然可以有一個(gè)cycle去接收一筆數(shù)據(jù)，把FIFO資源利用起來(lái)：

同樣的原因，在RESET情況下，READY_UP可以為1，可以將復(fù)位值修改。

那么FIFO穿越呢？

FIFO穿越

考慮一個(gè)特殊情況(case 2)：

假設(shè)READY_DOWN在復(fù)位之后始終為1，

然后某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始VALID_UP為1了。

是不是每個(gè)周期，數(shù)據(jù)都可以直接傳下來(lái)而不用進(jìn)入FIFO，即使READY_DOWN打過(guò)一拍？

換句話說(shuō)： ***如果READY_UP=1, READY_DOWN=1, FIFO是空的這種情況下，數(shù)據(jù)可以直通*** 。

• 上文特殊情況(case 2)，READY_DOWN/READY_UP一直是1，顯然可以。
• READY_UP從0到1的跳變：READY_DOWN也會(huì)在前一周期有一個(gè)從0到1的跳變。在READY_DOWN為0時(shí)，有一筆數(shù)據(jù)存到FIFO里邊（無(wú)氣泡傳輸）；當(dāng)READY_DOWN在時(shí)刻a從0變到1時(shí)，READY_UP在時(shí)刻a+1也會(huì)從0變?yōu)?。如果此時(shí)READY_DOWN也為1，可以直通，不用進(jìn)入FIFO。也就是：

注意在直通時(shí)，我們不希望數(shù)據(jù)進(jìn)入FIFO：

將所有這些結(jié)合起來(lái)：

(注：代碼未經(jīng)詳細(xì)驗(yàn)證)

換一種思路

經(jīng)過(guò)上面對(duì)FIFO的分析，我們可以總結(jié)起來(lái)，主要是以下幾點(diǎn)：

• 加入一個(gè)深度為1的同步FIFO，這個(gè)FIFO在READY_DOWN為0,且READY_UP為1時(shí)暫存一個(gè)數(shù)據(jù)；
• 在READY_DOWN從0->1時(shí)，F(xiàn)IFO里邊的數(shù)據(jù)先輸出到下級(jí)；
• 如果READY_DOWN繼續(xù)為1，數(shù)據(jù)可以繞過(guò)FIFO直通；

深度為1的FIFO（不管是同步還是異步FIFO），都是一個(gè)特殊的邏輯單元。

對(duì)于深度為1的同步FIFO，其實(shí)就是一拍寄存器打拍。

所以，我們可以這樣重新設(shè)計(jì)：

1. 加一級(jí)寄存器作為buffer（實(shí)際上就是深度為1的FIFO）

2. 當(dāng)以下條件滿足，這一級(jí)寄存器會(huì)暫存一級(jí)數(shù)據(jù)：

   2.1 READY_DOWN是0，并且

   2.2 READY_UP是1,并且

   2.3 VALID_UP是1;

也就是：

1. 當(dāng)READY_UP是1時(shí),數(shù)據(jù)可以直接暴露在下級(jí)接口：READY_UP為1時(shí)，BUFFER中一定是空的，因?yàn)樯弦粋€(gè)時(shí)鐘周期數(shù)據(jù)已經(jīng)排空了。也就是:

這其實(shí)就是上面的FIFO直通模式。同樣我們可以擠掉氣泡：

把這所有的總結(jié)起來(lái)：

(注：代碼未經(jīng)詳細(xì)驗(yàn)證)

其他

1. 我在電腦上簡(jiǎn)單跑了兩個(gè)波形，F(xiàn)IFO方法和Buffer方法結(jié)果是一樣的。
2. 用FIFO去隔離開(kāi)上下兩個(gè)interface思考，比較容易想明白。
3. 無(wú)氣泡傳輸、FIFO直通這兩個(gè)小feature拿掉，也可以工作、也是能實(shí)現(xiàn)READY_DOWN時(shí)序優(yōu)化的設(shè)計(jì)目標(biāo)的。