所謂流水線處理，如同生產裝配線一樣，將操作執行工作量分成若干個時間上均衡的操作段，從流水線的起點連續地輸入，流水線的各操作段以重疊方式執行。這使得操作執行速度只與流水線輸入的速度有關，而與處理所需的時間無關。這樣，在理想的流水操作狀態下，其運行效率很高。

如果某個設計的處理流程分為若干步驟，而且整個數據處理是單流向的，即沒有反饋或者迭代運算，前一個步驟的輸出是下一個步驟的輸入，則可以采用流水線設計方法來提高系統的工作頻率。

下面用8位全加器作為實例，分別列舉了非流水線方法、2級流水線方法和4級流水線方法。

（1）非流水線實現方式

module adder_8bits（din_1， clk， cin， dout， din_2， cout）;

input ［7:0］ din_1;

input clk;

input cin;

output ［7:0］ dout;

input ［7:0］ din_2;

output cout;

reg ［7:0］ dout;

reg cout;

always @（posedge clk） begin

{cout，dout} 《= din_1 + din_2 + cin;

end

endmodule

（2）2級流水線實現方式：

module adder_4bits_2steps（cin_a， cin_b， cin， clk， cout， sum）;

input ［7:0］ cin_a;

input ［7:0］ cin_b;

input cin;

input clk;

output cout;

output ［7:0］ sum;

reg cout;

reg cout_temp;

reg ［7:0］ sum;

reg ［3:0］ sum_temp;

always @（posedge clk） begin

{cout_temp，sum_temp} = cin_a［3:0］ + cin_b［3:0］ + cin;

end

always @（posedge clk） begin

{cout，sum} = {{1‘b0，cin_a［7:4］} + {1’b0，cin_b［7:4］} + cout_temp， sum_temp};

end

endmodule

注意：這里在always塊內只能用阻塞賦值方式，否則會出現邏輯上的錯誤！

（3）4級流水線實現方式：

module adder_8bits_4steps（cin_a， cin_b， c_in， clk， c_out， sum_out）;

input ［7:0］ cin_a;

input ［7:0］ cin_b;

input c_in;

input clk;

output c_out;

output ［7:0］ sum_out;

reg c_out;

reg c_out_t1， c_out_t2， c_out_t3;

reg ［7:0］ sum_out;

reg ［1:0］ sum_out_t1;

reg ［3:0］ sum_out_t2;

reg ［5:0］ sum_out_t3;

always @（posedge clk） begin

{c_out_t1， sum_out_t1} = {1‘b0， cin_a［1:0］} + {1’b0， cin_b［1:0］} + c_in;

end

always @（posedge clk） begin

{c_out_t2， sum_out_t2} = {{1‘b0， cin_a［3:2］} + {1’b0， cin_b［3:2］} + c_out_t1， sum_out_t1};

end

always @（posedge clk） begin

{c_out_t3， sum_out_t3} = {{1‘b0， cin_a［5:4］} + {1’b0， cin_b［5:4］} + c_out_t2， sum_out_t2};

end

always @（posedge clk） begin

{c_out， sum_out} = {{1‘b0， cin_a［7:6］} + {1’b0， cin_b［7:6］} + c_out_t3， sum_out_t3};

end

endmodule

總結：

利用流水線的設計方法，可大大提高系統的工作速度。這種方法可廣泛運用于各種設計，特別是大型的、對速度要求較高的系統設計。雖然采用流水線會增大資源的使用，但是它可降低寄存器間的傳播延時，保證系統維持高的系統時鐘速度。在實際應用中，考慮到資源的使用和速度的要求，可以根據實際情況來選擇流水線的級數以滿足設計需要。

這是一種典型的以面積換速度的設計方法。這里的“面積”主要是指設計所占用的FPGA邏輯資源數目，即利用所消耗的觸發器（FF）和查找表（LUT）來衡量。“速度”是指在芯片上穩定運行時所能達到的最高頻率。面積和速度這兩個指標始終貫穿著FPGA的設計，是設計質量評價的最終標準。

編輯：jq