如果你曾看過VexRSICV的設計，對于從事邏輯設計的你會驚訝從未想過邏輯設計還能這么來做。針對VexRSICV所衍生出的pipeline Lib，該系列會對pipeline進行一次梳理。誠如之前一篇博客曾講，這是“勇者的游戲”。

雖然并未從事CPU設計，但這里pipeline的庫讀完還是當浮一大白～

》傳統的設計思路

借用博客《The VexRiscV CPU - A New Way to Design》中的觀點，在CPU設計里，一條典型的五級流水線：

???

在傳統的流水線設計里，一條指令切分到不同的Stage中，每增加一條指令，我們可能就需要對各個Stage進行修改，牽一發而動全身。如果對于流水線每個階段都了然于胸，那么自不是問題，否則那就是噩夢級別的難度了～。

那么，是否有新的方式來做一次流水線設計的創新呢？

來看看SpinalHDL里pipeline的設計思路。

》高端操作

本篇為開篇系列，先從整體架構上看SpinalHDL中pipeline的設計整體框架，暫不牽涉具體的設計細節。

我們先來看一個非常簡單的“pipeline”：

從A到B經歷三級流水線，每經一級加一輸出至下一級。

回到電路設計的本質。在FPGA里面，除了RAM、DSP這些資源，邏輯實現的核心只有LUT喝Reg。LUT負責實現邏輯實現，Reg負責狀態保存。在上面的三級流水里，我們要思索的無非兩個問題：

每一級流水線都做了什么

流水線各級是如何進行連接的

那么在看看上面的電路。每級流水線里面都是一個加法器和一個寄存器輸出。加法器這些功能性的實現才是每一級Stage的功能。而寄存器則用于連接本級Stage與下一級Stage。也就意味著，每一級流水線都是邏輯電路負責實現功能，時序電路寄存器用于Stage連接。為此，對于pipeline我們可以抽象為下面的要素：

Stage:僅考慮具體的功能實現，它包含了輸入、輸出以及具體的邏輯實現。

Connection:僅用于實現各級Stage的連接。

在邏輯電路設計里，不要總是想著把功能實現和時序設計給拼到一塊兒。將上面的概念與最上面的三級流水對照，那么加法器就是對應的Stage的功能，一個組合電路。而寄存器就對應Connection的功能。

SpinalHDL是基于Scala而設計，其能夠幫助我們自動實現很多功能。比如兩級Stage之間都有哪些信號是要通過Connection進行連接，對應的流水線功能如flush、halt能功能如何在各級Stage之間進行傳播等功能。我們所需要做的，就是通過一定的規則告訴pipeline如何去做這些事情。

接下來，先針對pipeline所涉及的Pipeline、Stage、Connection、Stageable、StageableKey進行一個初步整體了解。

審核編輯：劉清