第一 什么是流水線

流水線設計就是將組合邏輯系統地分割，并在各個部分（分級）之間插入寄存器，并暫存中間數據的方法。目的是將一個大操作分解成若干的小操作，每一步小操作的時間較小，所以能提高頻率，各小操作能并行執行，所以能提高數據吞吐率（提高處理速度）。

第二 什么時候用流水線設計

使用流水線一般是時序比較緊張，對電路工作頻率較高的時候。典型情況如下：

1）功能模塊之間的流水線，用乒乓 buffer 來交互數據。代價是增加了 memory 的數量，但是和獲得的巨大性能提升相比，可以忽略不計。

2） I/O 瓶頸，比如某個運算需要輸入 8 個數據，而 memroy 只能同時提供 2 個數據，如果通過適當劃分運算步驟，使用流水線反而會減少面積。

3）片內 sram 的讀操作，因為 sram 的讀操作本身就是兩極流水線，除非下一步操作依賴讀結果，否則使用流水線是自然而然的事情。

4）組合邏輯太長，比如(a+b)*c，那么在加法和乘法之間插入寄存器是比較穩妥的做法。

第三 使用流水線的優缺點

1）優點：流水線縮短了在一個時鐘周期內給的那個信號必須通過的通路長度，增加了數據吞吐量，從而可以提高時鐘頻率，但也導致了數據的延時。舉例如下：例如：一個 2 級組合邏輯，假定每級延遲相同為 Tpd，

1.無流水線的總延遲就是 2Tpd，可以在一個時鐘周期完成，但是時鐘周期受限制在 2Tpd；

2.流水線：

每一級加入寄存器（延遲為 Tco）后，單級的延遲為 Tpd+Tco，每級消耗一個時鐘周期，流水線需要 2 個時鐘周期來獲得第一個計算結果，稱 為首次延遲，它要 2*（ Tpd+Tco），但是執行重復操作時，只要一個時鐘周期來獲得最后的計算結果，稱為吞吐延遲（ Tpd+Tco）。可見只要 Tco 小于 Tpd，流水線就可以提高速度。 特別需要說明的是，流水線并不減小單次操作的時間，減小的是整個數據的操作時間，請大家認真體會。

2） 缺點：功耗增加，面積增加，硬件復雜度增加，特別對于復雜邏輯如 cpu 的流水線而言，流水越深，發生需要 hold 流水線或 reset 流水線的情況時，時間損失越大。 所以使用流水線并非有利無害，大家需權衡考慮。

第四 一個 8bit 流水線加法器的小例子

非流水線：

module add8(

a,

b,

c);

input [7:0] a;

input [7:0] b;

output [8:0] c;

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

endmodule

采用兩級流水線：第一級低 4bit,第二級高 4bit，所以第一個輸出需要 2 個時鐘周期有效，后面的數據都是 1 個周期

之后有效。

module adder8_2(

clk,

cin,

cina,

cinb,

sum,

cout);

input clk;

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) //第一級流水

begin

{cout1 , sum1} <= cina[3:0] + cinb [3:0] + cin ;

end

always @(posedge clk)

begin

cina_reg <= cina[7:4];

cinb_reg <= cinb[7:4];

end

always @(posedge clk) //第二級流水

begin

{cout ,sum[7:0]} <= {{1'b0,cina_reg[3:0]} + {1'b0,cinb_reg[3:0]} + cout1 ,sum1[3:0]} ;

end

endmodule

這里講到的流水線，主要是一種硬件設計的算法，如第一條中表述的流水線設計就是將組合邏輯系統地分割，并在各個部分（分級）之間插入寄存器，并暫存中間數據的方法。

針對處理器中的流水線結構。比如，比如 5—6 個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條指令分成 5—6 步后再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個 CPU 時鐘周期完成一條指令，因此提高 CPU 的運算速度。 一般的 CPU 中,每條整數流水線都分為四級流水， 即指令預取、 譯碼、 執行、 寫回結果，openrisc采用的是 5 級整數流水線。

當然它們的核心思想都是利用并行執行提高效率。

總結一下，流水線就是插入寄存器，以面積換取速度。