流水線技術在編程器中的提速應用

　　摘要：美國思科公司總裁約翰·錢伯斯他在談到新經濟的規律時說,現代競爭已經不是大魚吃小魚,而是快的吃慢的.在現代競爭中，效率有著決定性的作用。專業的燒錄器廠商是如何做到比山寨燒錄產品的快呢?

　　美國思科公司總裁約翰·錢伯斯他在談到新經濟的規律時說,現代競爭已“不是大魚吃小魚,而是快的吃慢的.”在現代競爭中，效率有著決定性的作用。

　　做嵌入式開發的工程師都知道，一旦產品需要量產，批量生產的燒錄器必不可少。在調試階段，工程師可以用串口下載來實現代碼的燒錄，如果用串口進行生產，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行操作(MCU內部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置操作，是燒錄的主要內容。

　　通常情況下，這些操作都是依次執行的，先擦除，擦除完成后，對存儲器進行加電編程，編程完成后，再對編程的部分進行校驗、對比。這些步驟都是環環相扣，一步一步實現的，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，以達到效率最大化。

　　稍微思考下，就會發現，燒錄器在編程過程中是按照這樣一個順序執行的：從上位機取命令數據→命令解析→執行。這個過程是一個按順序循環執行的，對應的操作為取指、譯碼和執行，解釋如下：

　　取指----從命令FIFO中取出指令。

　　譯碼----根據指令，產生對應的控制信號。

　　執行----執行擦除、編程或者檢驗操作，或者設置相關參數。

　　如果沒有采用流水線技術，時空圖如圖2所示。

　　圖2無流水線時空圖

　　從圖2可知，每條命令都要經過取指、譯碼和執行后才能進行下一條命令，這嚴重影響系統的效率。最致命的是，取指、譯碼和執行都不能同時工作，只有完成取指之后才能譯碼，譯碼之后才能執行。

　　因此，燒錄器做出了改變，采用了“流水線”技術。根據編程器的操作步驟，可以把工作流程分為取指、譯碼和執行三部分，每一部分負責自己的工作。這樣不僅細化了整個工作流程，而且能夠使三部分同時工作，從而提高了并行度，進而提高了工作效率。在FPGA硬件實現上，這三部分分別對應三個電路，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、譯碼和執行部分同時使用上級傳下來的數據工作，并且在下一個周期把結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果的作用。

　　圖3 流水線電路示意圖

　　采用流水線技術的時空圖如圖4所示。

　　圖4流水線時空圖

　　從圖4中可知，相關的命令執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“執行”，也就是說一個周期產生一個結果，而無流水線技術需要3個周期才有一個結果，相比之下，工作效率提高了3倍。可喜的是，流水線技術會提高頻率上限。

　　在FPGA設計上，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，才能發揮流水線的優勢。另外，理論上，流水線級數越多，工作頻率越快，效率相對也高。