流水線技術(shù)在編程器中的提速應(yīng)用

美國思科公司總裁約翰•錢伯斯他在談到新經(jīng)濟(jì)的規(guī)律時說,現(xiàn)代競爭已“不是大魚吃小魚,而是快的吃慢的.”在現(xiàn)代競爭中，效率有著決定性的作用。

做嵌入式開發(fā)的工程師都知道，一旦產(chǎn)品需要量產(chǎn)，批量生產(chǎn)的燒錄器必不可少。在調(diào)試階段，工程師可以用串口下載來實現(xiàn)代碼的燒錄，如果用串口進(jìn)行生產(chǎn)，工廠是絕不會允許的，因為效率實在太低。

燒錄器的功能，主要對非易失性的存儲器進(jìn)行操作（MCU內(nèi)部Flash也都是各類非易失性的存儲器）。這些存儲器通常都需要擦除、編程和校驗。這些基本操作和一些控制設(shè)置操作，是燒錄的主要內(nèi)容。

通常情況下，這些操作都是依次執(zhí)行的，先擦除，擦除完成后，對存儲器進(jìn)行加電編程，編程完成后，再對編程的部分進(jìn)行校驗、對比。這些步驟都是環(huán)環(huán)相扣，一步一步實現(xiàn)的，串行的處理效率是很低的。正如，一個人處理一件事忙不過，那么兩個人三個人一起來呢，效率立即提高3倍。

一步一步實現(xiàn)的方式，就是目前市面上很多山寨燒錄器的做法，效率低下。

圖1山寨的燒錄器

專業(yè)燒錄器廠商，不僅提高燒錄時的工作頻率，而且命令之間也盡量提高并行度，以達(dá)到效率最大化。

稍微思考下，就會發(fā)現(xiàn)，燒錄器在編程過程中是按照這樣一個順序執(zhí)行的：從上位機(jī)取命令數(shù)據(jù)→命令解析→執(zhí)行。這個過程是一個按順序循環(huán)執(zhí)行的，對應(yīng)的操作為取指、譯碼和執(zhí)行，解釋如下：

取指----從命令FIFO中取出指令。
譯碼----根據(jù)指令，產(chǎn)生對應(yīng)的控制信號。
執(zhí)行----執(zhí)行擦除、編程或者檢驗操作，或者設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

如果沒有采用流水線技術(shù)，時空圖如圖2所示。

圖2無流水線時空圖

從圖2可知，每條命令都要經(jīng)過取指、譯碼和執(zhí)行后才能進(jìn)行下一條命令，這嚴(yán)重影響系統(tǒng)的效率。最致命的是，取指、譯碼和執(zhí)行都不能同時工作，只有完成取指之后才能譯碼，譯碼之后才能執(zhí)行。

因此，燒錄器做出了改變，采用了“流水線”技術(shù)。根據(jù)編程器的操作步驟，可以把工作流程分為取指、譯碼和執(zhí)行三部分，每一部分負(fù)責(zé)自己的工作。這樣不僅細(xì)化了整個工作流程，而且能夠使三部分同時工作，從而提高了并行度，進(jìn)而提高了工作效率。在FPGA硬件實現(xiàn)上，這三部分分別對應(yīng)三個電路，并且在它們之間都插入寄存器組，組成三級流水線，如圖3所示。這樣，在每個時鐘周期下，取指、譯碼和執(zhí)行部分同時使用上級傳下來的數(shù)據(jù)工作，并且在下一個周期把結(jié)果傳給寄存器以供下一級電路使用。在這個過程中，寄存器起到了暫存結(jié)果的作用。

圖3 流水線電路示意圖

采用流水線技術(shù)的時空圖如圖4所示。

圖4流水線時空圖

從圖4中可知，相關(guān)的命令執(zhí)行在時間上是交疊在一起的，也就是說三條命令同時工作(經(jīng)過首次延遲之后)！比如，在時刻T4，指令N+3在取值，指令N+2在譯碼，指令N+1執(zhí)行。值得注意的是，在某一時刻，它們雖然同時工作，但操作的都不是同一條指令。另外，在每個周期，都有一條命令在“執(zhí)行”，也就是說一個周期產(chǎn)生一個結(jié)果，而無流水線技術(shù)需要3個周期才有一個結(jié)果，相比之下，工作效率提高了3倍。可喜的是，流水線技術(shù)會提高頻率上限。

在FPGA設(shè)計上，需要估算取值、譯碼和之下三部分的延時，盡量做到它們之間的延時相等或者接近，才能發(fā)揮流水線的優(yōu)勢。另外，理論上，流水線級數(shù)越多，工作頻率越快，效率相對也高。