組み込み屋の為のVerilog入門 その6 スキッドバッファ

前回の続きで、もう少し掘り下げて見る。

まず基本のパイプライン構成だが、前回の構成でパイプラインを深くしていくと、下図のようにREADYの論理がどんどん深くなっていき、タイミングクローズしにくくなってくる。

まずはこの問題のシンプルな解決策だが、READYを下図のように簡略化してしまうことだ。

このように簡略化してしまうと、最終段がBUSYだと途中のパイプラインが空(いわゆるバブルがある状態)でも全体が止まってしまうというちょっともったいないことが起こるが、多くの場合あまり問題にならない。

もうひとつの解決方法が、途中のREADYにFFを打つという方法である。

以下にその例を示す。

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// READY に FF挿入
module insert_ff_ready
        (
          // system
          input  wire       clk,
          input  wire       reset,
         
          // slave port
          input  wire [7:0] s_data,
          input  wire       s_valid,
          reg    wire       s_ready,
         
          // master port
          output wire [7:0] m_data,
          output wire       m_valid,
          input  wire       m_ready
        );
  reg [7:0] t_data;
  reg       t_valid;
 
always @(posedge clk) begin
  if ( reset ) begin
    s_ready <= 1'b1;
    t_data  <= 8'bxx;
    t_valid <= 1'b0;
  end
  else begin
    s_ready <= m_ready | ~t_valid;
   
    if ( m_ready ) begin
      t_data  <= 8'bxx;
      t_valid <= 1'b0;
    end
    else begin
      if ( s_ready ) begin
        t_data  <= s_data;
        t_valid <= s_valid;
      end
    end
  end
 
  assign m_data  = t_valid ? t_data : s_data;
  assign m_valid = t_valid | s_valid;
 
end
endmodule
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READYにFFを打つ場合に解決しなければならないのは、READYが落ちるのに１サイクルかかる為、前段のパイプラインストールが１サイクル遅れることである。
対処方法としてはパイプライン１段分のテンポラリのレジスタを設けて、止め切れなかった分をそこに一時的にバッファリングするというものである。(追記：スキッドバッファと呼ぶそうです)

ちなみにこれも絵を描いて見たがこのあたりになるとVerilogソースのほうが何がしたいのかわかりやすい。