流水线技术在编程器中的提速应用

　　美国思科公司总裁约翰·钱伯斯他在谈到新经济的规律时说，现代竞争已“不是大鱼吃小鱼，而是快的吃慢的。”在现代竞争中，效率有着决定性的作用。

　　做嵌入式开发的工程师都知道，一旦产品需要量产，批量生产的烧录器必不可少。在调试阶段，工程师可以用串口下载来实现代码的烧录，如果用串口进行生产，工厂是绝不会允许的，因为效率实在太低。

　　烧录器的功能，主要对非易失性的存储器进行操作（MCU内部Flash也都是各类非易失性的存储器）。这些存储器通常都需要擦除、编程和校验。这些基本操作和一些控制设置操作，是烧录的主要内容。

　　通常情况下，这些操作都是依次执行的，先擦除，擦除完成后，对存储器进行加电编程，编程完成后，再对编程的部分进行校验、对比。这些步骤都是环环相扣，一步一步实现的，串行的处理效率是很低的。正如，一个人处理一件事忙不过，那么两个人三个人一起来呢，效率立即提高3倍。

　　一步一步实现的方式，就是目前市面上很多山寨烧录器的做法，效率低下。

　　图1山寨的烧录器

　　专业烧录器厂商，不仅提高烧录时的工作频率，而且命令之间也尽量提高并行度，以达到效率最大化。

　　稍微思考下，就会发现，烧录器在编程过程中是按照这样一个顺序执行的：从上位机取命令数据→命令解析→执行。这个过程是一个按顺序循环执行的，对应的操作为取指、译码和执行，解释如下：

　　取指----从命令FIFO中取出指令。

　　译码----根据指令，产生对应的控制信号。

　　执行----执行擦除、编程或者检验操作，或者设置相关参数。

　　如果没有采用流水线技术，时空图如图2所示。

　　图2无流水线时空图

　　从图2可知，每条命令都要经过取指、译码和执行后才能进行下一条命令，这严重影响系统的效率。最致命的是，取指、译码和执行都不能同时工作，只有完成取指之后才能译码，译码之后才能执行。

　　因此，烧录器做出了改变，采用了“流水线”技术。根据编程器的操作步骤，可以把工作流程分为取指、译码和执行三部分，每一部分负责自己的工作。这样不仅细化了整个工作流程，而且能够使三部分同时工作，从而提高了并行度，进而提高了工作效率。在FPGA硬件实现上，这三部分分别对应三个电路，并且在它们之间都插入寄存器组，组成三级流水线，如图3所示。这样，在每个时钟周期下，取指、译码和执行部分同时使用上级传下来的数据工作，并且在下一个周期把结果传给寄存器以供下一级电路使用。在这个过程中，寄存器起到了暂存结果的作用。

　　图3 流水线电路示意图

　　采用流水线技术的时空图如图4所示。

　　图4流水线时空图

　　从图4中可知，相关的命令执行在时间上是交叠在一起的，也就是说三条命令同时工作（经过首次延迟之后）！比如，在时刻T4，指令N+3在取值，指令N+2在译码，指令N+1执行。值得注意的是，在某一时刻，它们虽然同时工作，但操作的都不是同一条指令。另外，在每个周期，都有一条命令在“执行”，也就是说一个周期产生一个结果，而无流水线技术需要3个周期才有一个结果，相比之下，工作效率提高了3倍。可喜的是，流水线技术会提高频率上限。

　　在FPGA设计上，需要估算取值、译码和之下三部分的延时，尽量做到它们之间的延时相等或者接近，才能发挥流水线的优势。另外，理论上，流水线级数越多，工作频率越快，效率相对也高。