原创 LPM函数的LPM_PIPELINE参数研究

    本文研究含有LPM_PIPELINE参数的LPM函数（如：LPM_ADD_SUB、LPM_MULT等），对LPM_PIPELINE参数的作用做了一些探讨。

LPM_PIPELINE参数的说明是：“Specifies the number of clock cycles of latency associated with the result [] output. The default value of zero indicates that no latency exists, and that a purely combinatorial function will be instantiated. The default value is zero (non-pipelined).”——from 《LPM quick reference guide》。翻译过来就是：“（此参数）指定了输出值result []的时钟延时周期。缺省值是0，也就是没有延时，是纯粹的组合逻辑电路。缺省值是0，即流水线级数为0。”

那么，该参数除了能使输出结果延时，对提升系统整体处理速率还有什么帮助呢？今天hustzq就利用LPM_MULT函数做了这样的实验。实验程序是利用3次乘法和3次加/减法完成一次复数乘：R+jI=(x+jy)(c+js)。将此等式化成：R=(c-s)y+c(x-y)和I=(c+s)x-c(x-y)。在Quartus II中使用Cyclone III芯片仿真。LPM_MULT的LPM_PIPELINE参数设为3。

第一组实验：clk=50ns。不使用LPM_PIPELINE参数和使用LPM_PIPELINE参数的对比：

图1  不使用LPM_PIPELINE参数，clk=50ns

图2  使用LPM_PIPELINE参数，clk=50ns

第二组实验：clk=5ns。不使用LPM_PIPELINE参数和使用LPM_PIPELINE参数的对比：

图3  不使用LPM_PIPELINE参数，clk=5ns

图4  使用LPM_PIPELINE参数，clk=5ns

    分析第一组实验：图2比图1输出延时3个clk，计算速度并没有增加，实际计算耗时都是6ns左右。

    分析第二组实验：两个图的计算结果不同。第二个才是正确的按照时钟输出的结果。

    结论：如果时钟周期比计算过程本身所耗费时间大很多，即计算、处理的时间很小、可忽略不计，则在一个时钟内完全可以完成计算，pipeline的作用仅仅是延时输出结果。如果计算处理的时间和时钟周期相当，在一个时钟内不能完成计算，则必须使用pipeline，否则前一次计算还没完成，又有新数据输入要求计算，此时输出是错误结果。

原来在一个时钟内不能完成运算，现在加入pipeline，虽然输出延迟几个clk周期，但可以正确的完成计算，如果把系统作为一个“黑盒”，设置pipeline “加快”了运算速度。这也就是pipeline的最终作用。

参考文献：

1. Altera公司：《LPM quick reference guide》

2. Uwe Meyer-Baese著 刘凌 胡永生 译：《数字信号处理的FPGA实现》