【芯片前端】保持代码手感——握手协议ready打拍时序优化

在valid-ready双向握手机制下，对下游反馈的ready进行打拍，实现对上游接口的ready信号时序优化。当拍若ready有效则数据可以直接向下游握手，若ready无效则数据寄存一拍。要求数据输出不能丢弃或乱序，且上游的ready为寄存器输出

接口如下：

module backward_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
);
endmodule

题目解析

给ready打拍一直都是我没想明白的操作，所以这次一定要把他想清楚。这个题目的核心就是给前级传的ready必须是寄存器输出，所以我想了三个小时，终于把这个寄存器给做出来了：

wire out_ready_en = data_in_valid || data_out_ready;
wire out_ready_d  = data_out_ready;
wire out_ready_q;
dffse #(.WIDTH(1), .VALUE(1'b1))
u_out_ready_dffse(
  .clk(clk),
  .rst_n(rst_n),
  .d(out_ready_d),
  .en(out_ready_en),
  .q(out_ready_q)
);
assign data_in_ready  = out_ready_q;

这个寄存器必须是复位值为1，因为不管上来有没有ready这个打拍也能存一拍。那么这个寄存器的含义是啥呢？他表示着此时data的寄存器里的值是不是一个有效的值，如果为1表示data寄存器没有用或者没值，为0表示data的寄存器里有有效值。所以上来复位值为1表示此时data寄存器里没有有效值。而后每次en时把data_out_ready更新进去，如果更新进去的是1那么就意味着数据直接被下游拿走了（“当拍若ready有效则数据可以直接向下游握手”），如果更新进去的值是0则意味着数据下游没接，存在data寄存器里了。

那么out_ready_en的逻辑实际是比较难做的。当data_out_ready为1时肯定是可以更新寄存器的，那么另外一种情况就是data_in_valid为1时，看下面的场景分析：

data寄存器中存放着有效数据，无法接上游数据；

data寄存器中存放着有效数据，当拍被取走，因此刷新 data_out_ready_q表示从下一拍的data寄存器里没有有效值，如果下一拍的out_ready还是为1那么数据就透传了，如果下一拍out_ready又变成0那么数据存入data寄存器（因为下一拍data_in_ready一定是1）。如果还是没说清楚，那一会看下波形吧。

data寄存器的逻辑还是非常简单：

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)
);

接下来是产生对外输出的逻辑：

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;

out_ready_q的含义很清楚，为0时表示data寄存器里有值需要往外取。可以看到这样给上游传出去的data_in_ready是寄存器输出，逻辑非常干净。

波形分析

感觉给ready打拍这个事啊，拿话说根本说不清以后我就拿这个题去考别人好了，看谁能说清。

看这个波形，时刻1上游有valid下游没有ready，那么把数据存入了寄存器，上游ready跳变位0表示data寄存器里有有效值，不能再接上游的数据了；

时刻2，下游ready起了，把data寄存器里的数据0取走；时刻3下游ready持续有效，直接把值1透传给下游（注意此时数据还是同时写入了data寄存器，但是data_out_ready_q即data_in_ready标记为1即data寄存器里的值是无效值）；

时刻4，下游ready起了，把data寄存器里的数据2取走；而后下一拍data_out_ready回归为0，则值3被写到了寄存器中且被标记有效；

时刻5，数值3被取走，且后面从时刻6开始又可以透传了。