【握手协议】时序优化之接收端打拍策略

这篇文章是探讨对接收端进行时序优化（即ready打拍，或称backward打拍）的方式。

ready本身是不携带任何随路信息的，但如果因此就觉得可以简单把ready打一拍来进行时序优化那就大错特错了，要不然可以试一试看看错的多离谱。无论valid打拍还是ready打拍，都需要将控制信号（valie或ready）和传输信息（data）进行寄存，因此二者的资源消耗是没有明显区别的。因此我们还是要借助两个寄存器：

module dffse #(
    parameter WIDTH = 1
)(
    input             clk,
    input             rst_n,
    input      [WIDTH -1:0]    d,
    input            en,
    output reg[WIDTH -1:0]    q
);
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
    if(~rst_n)  q <={WIDTH{1'b1}};
    else if(en) q <= d;
end
endmodule

module dffe#(
    parameter WIDTH = 1
)(
    input             clk,
    input      [WIDTH -1:0]    d,
    input                en,
    output reg[WIDTH -1:0]    q
);
always @(posedge clk)begin
    if(en) q <= d;
end
endmodule

这次用了dffse寄存器，说白了就是复位值为全1寄存器，没什么稀奇的。

那么对于ready打拍，关键点显然就是data_in_ready的控制逻辑，不过这个逻辑不是太容易理解，所以咱们镜像着data_in_valid的打拍来看。还记得fw_pipe中对data_in_valid打拍的方法么：

wire in_valid_en = data_in_ready;
wire in_valid_d  = data_in_valid;
wire in_valid_q;
dffre #(.WIDTH(1))
u_in_valid_dffre(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .d(in_valid_d),
    .en(in_valid_en),
    .q(in_valid_q)
);
assign data_in_ready  = data_out_ready || (~in_valid_q);
assign data_out_valid = in_valid_q;

那咱们镜像的来做bw_pipe中data_in_ready的逻辑应该是：

wire out_ready_en = data_out_valid;
wire out_ready_d  = data_out_ready;
wire out_ready_q;
dffse #(.WIDTH(1))
u_out_ready_dffse(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .d(out_ready_d),
    .en(out_ready_en),
    .q(out_ready_q)
);
assign data_out_valid = data_in_valid || (~out_ready_q);
assign data_in_ready = out_ready_q;

深深地感受下代码的对称之美！那么在fw_pipe中u_in_valid_dffre寄存的状态是发送端是否有发送数据的请求，那么对应的bw_pipe中u_out_ready_dffse寄存的状态是什么呢？自然是接收端是否有接收数据的能力，因此这个寄存器的复位值应该为1（就算上来下游就堵住了，pipe里至少能缓存一拍数）。因此当该寄存器值为1时表明pipe内是空的，为0时表示pipe内有一笔数，所以也就构成了data_out_valid的一部分逻辑。

data_out_valid虽然是我们通过镜像对称得到的，但是也要理解所以然。当out_ready_q == 0时表明pipe中有一笔数那么data_out_valid必然为1，此外无论out_ready_q什么状态只要data_in_valid == 1那么也表明向下游传输的数据已经准备好了，data_out_valid也需要为1（对ready打拍，那么必然valid是存在bypass通路的。你想想在对valid进行打拍时，ready是不是有一条bypass通路）。

而out_ready_d = data_out_ready就需要感受一下了，如果这拍向下游握手成功了那么无论如何下一拍bw_pipe也是空的了。你结合data_out的逻辑一起品一品：

wire          data_en = data_in_valid && data_in_ready;
wire [WIDTH -1:0]data_d  = data_in;
wire [WIDTH -1:0]data_q;
dffe #(.WIDTH(WIDTH))
u_in_data_dffe(
    .clk(clk),
    .d(data_d),
    .en(data_en),
    .q(data_q)
);

assign data_out       = out_ready_q ? data_in : data_q;

如果当拍out_ready_q == 0（bw_pipe内有数）则取走data_q，否则直接通过bypass通路取走data_in。那是不是意味着，只有对下游握手了，下一拍的bw_pipe中就一定没有数了！

问题解决啦，最后的代码就完整的出来了呀：

module bw_pipe #(
    parameter WIDTH = 8)
(
    input clk,
    input rst_n,
    
    input [WIDTH -1:0]data_in,
    input           data_in_valid,
    output          data_in_ready,
    
    output[WIDTH -1:0]data_out,
    output          data_out_valid,
    input          data_out_ready
);

wire out_ready_en = data_out_valid;
wire out_ready_d  = data_out_ready;
wire out_ready_q;
dffse #(.WIDTH(1))
u_out_ready_dffse(
    .clk(clk),
    .rst_n(rst_n),
    .d(out_ready_d),
    .en(out_ready_en),
    .q(out_ready_q)
);

wire          data_en = data_in_valid && data_in_ready;
wire [WIDTH -1:0]data_d  = data_in;
wire [WIDTH -1:0]data_q;
dffe #(.WIDTH(WIDTH))
u_in_data_dffe(
    .clk(clk),
    .d(data_d),
    .en(data_en),
    .q(data_q)
);

assign data_out_valid = data_in_valid || (~out_ready_q);
assign data_out       = out_ready_q ? data_in : data_q;
assign data_in_ready  = out_ready_q;

endmodule

当然了我们会发现一个特性，bw_pipe不像fw_pipe那样会至少对数据打一拍，bw_pipe在通路畅通时data_in_valid/data_in是直接bypass到下游的，而通路阻塞时才会将数据在bw_pipe中寄存。

最后仍然借助auto_testbench验证一下代码：

作者：尼德兰的喵
文章来源：芯时代青年

推荐阅读

更多Arm AMBA 协议集技术干货请关注Arm AMBA 协议集技术专栏。
迎添加极术小姐姐微信（id:aijishu20)加入技术交流群，请备注研究方向。

推荐阅读

目录