每日一摘：乒乓操作
FPGA設計的四種常用思想與技巧：乒乓操作、串並轉換、流水線操作、資料介面同步化。
其中乒乓操作是一個常應用於資料流控制的處理技巧，典型的乒乓操作方法如圖：
乒乓操作的處理流程為：輸入資料流通過“輸入資料選擇單元”將資料流分配到兩個資料緩衝區，資料緩衝模組可以為任何儲存模組，比較常用的儲存單元為雙埠RAM(DPRAM)、單口RAM(SPRAM)、FIFO等。
在第一個緩衝週期，將輸入的資料流快取到“資料緩衝模組1”；
在第二個緩衝週期，通過“輸入資料選擇單元”的切換，將輸入的資料流快取到“資料快取模組2”，同時將“資料快取模組1”快取的第一個緩衝週期的資料通過“輸出資料流選擇單元”的選擇，送到“資料流運算處理模組”進行運算處理。
在第三個緩衝週期，通過“輸入資料選擇單元”的再次切換，將輸入的資料流快取到“資料緩衝模組1”，同時將“資料緩衝模組2”快取的第二個緩衝週期的資料通過“輸出資料選擇單元”的選擇，送到“資料流運算處理模組”進行運算處理。如此迴圈。
程式碼示範：
module ping_pong ( input sys_clk, input sys_rst_n, input [7:0] data_in, // 輸入資料 output reg [7:0] data_out // 輸出資料 ); // ------------------------------------------------------綜合程式碼// reg [7:0] buffer1; // 快取1 reg [7:0] buffer2; // 快取2 reg wr_flag; // 寫標誌，wr_flag=0，寫buffer1，wr_flag=1，寫buffer2 reg rd_flag; // 讀標誌，rd_flag=0，讀buffer2，rd_flag=1，讀buffer1 reg state; // 狀態機，0：寫1讀2,1：寫2讀1，狀態轉移和輸出分開編碼 // ------------------------------------------------------ // //狀態轉移 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin state <= 1'b0; end else begin case(state) 1'b0 : state <= 1'b1; // 寫1讀2->寫2讀1 1'b1 : state <= 1'b0; // 寫2讀1->寫1讀2 default : state <= 1'b0; endcase end end // ------------------------------------------------------ // // 狀態輸出 always @ (state) begin case(state) 1'b0: begin wr_flag = 1'b0; // 寫1 rd_flag = 1'b0; // 讀2 end 1'b1: begin wr_flag = 1'b1; // 寫2 rd_flag = 1'b1; // 讀1 end default: begin wr_flag = 1'b0; rd_flag = 1'b0; end endcase end // ------------------------------------------------------ // // 寫buffer資料 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin buffer1 <= 8'b0; buffer2 <= 8'b0; end else begin case(wr_flag) 1'b0 : buffer1 <= data_in; // wr_flag = 0，寫buffer1 1'b1 : buffer2 <= data_in; // wr_flag = 1，寫buffer2 default: begin buffer1 <= 8'b0; buffer2 <= 8'b0; end endcase end end // ------------------------------------------------------ // // 讀buffer資料 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin data_out <= 8'b0; end else begin case(rd_flag) 1'b0 : data_out <= buffer2; // rd_flag=0，讀buffer2 1'b1 : data_out <= buffer1; // rd_flag=1，讀buffer1 default : data_out <= 8'b0; endcase end end // ------------------------------------------------------ // endmodule
`timescale 1ns/1ns module ping_pong_tb(); // ------------------------------------------------------ // // Inputs reg sys_clk; reg sys_rst_n; reg [7:0] data_in; // Outputs wire [7:0] data_out; // ------------------------------------------------------ // ping_pong u_ping_pong ( .sys_clk(sys_clk), .sys_rst_n(sys_rst_n), .data_in(data_in), // ???? .data_out(data_out) // ???? ); // ------------------------------------------------------ // initial begin sys_clk = 0; sys_rst_n = 0; data_in = 0; #100; sys_rst_n = 1; end // ------------------------------------------------------ // always #10 sys_clk = ~sys_clk; // ------------------------------------------------------ // always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin if(sys_rst_n == 1'b0) begin data_in <= 8'b0; end else begin data_in <= data_in + 1'b1; end end // ------------------------------------------------------ // endmodule模擬程式碼
程式碼結果：
結果分析：從模擬波形中可以看出按照0、1、2、3......遞增的方式輸入資料，兩個快取區交替儲存資料，最後依次輸出資料，不過輸出資料會有兩個時鐘的延遲。
乒乓操作的最大特點是通過“輸入資料選擇單元”和“輸出資料選擇單元”按節拍、相互配合的切換，將經過緩衝的資料流沒有停頓地送到“資料流運算處理模組”進行運算處理。
把乒乓操作模組當作一個整體，站在這個模組的兩端看資料，輸入資料流和輸出資料流都是連續不斷的，沒有任何停頓，因此非常適合對資料流進行流水線式處理。所以乒乓操作常常應用於流水線式演算法，完成資料的無縫緩衝與處理。
乒乓操作的第二個優點是可以節約緩衝區空間。比如在WCDMA基帶應用中，1個幀是由15個時隙組成的，有時需要將1整幀的資料延時一個時隙後處理，比較直接的辦法是將這幀資料快取起來，然後延時1個時隙進行處理。這時緩衝區的長度是1整幀資料長，假設資料速率是3.84Mbps，1幀長10ms，則此時需要緩衝區長度是38400位。如果採用乒乓操作，只需定義兩個能緩衝1個時隙資料的RAM(單口RAM即可)。當向一塊RAM寫資料的時候，從另一塊RAM讀資料，然後送到處理單元處理，此時每塊RAM的容量僅需2560位即可，2塊RAM加起來也只有5120位的容量。
另外， 巧妙運用乒乓操作還可以達到用低速模組處理高速資料流的效果。 如圖2所示， 資料緩衝模組採用了雙口RAM， 並在DPRAM後引入了一級資料預處理模組， 這個資料預處理可以根據需要的各種資料運算， 比如在WCDMA設計中， 對輸入資料流的解擴、 解擾、去旋轉等。 假設埠A的輸入資料流的速率為100Mbps， 乒乓操作的緩衝週期是10ms。 以下分析各個節點埠的資料速率。
A埠處輸入資料流速率為100Mbps， 在第1個緩衝週期10ms內， 通過“ 輸入資料選擇單元” ， 從B1到達DPRAM1。B1的資料速率也是100Mbps，DPRAM1要在10ms內寫入1Mb資料。同理， 在第2個10ms， 資料流被切換到DPRAM2， 埠B2的資料速率也是100Mbps，DPRAM2在第2個10ms被寫入1Mb資料。 在第3個10ms， 資料流又切換到DPRAM1，DPRAM1被寫入1Mb資料。仔細分析就會發現到第3個緩衝週期時，留給DPRAM1讀取資料並送到“ 資料預處理模組1”的時間一共是20ms。 有的工程師困惑於DPRAM1的讀數時間為什麼是20ms， 這個時間是這樣得來的： 首先， 在在第2個緩衝週期向DPRAM2寫資料的10ms內，DPRAM1可以進行讀操作；
另外， 在第1個緩衝週期的第5ms起(絕對時間為5ms時刻)，DPRAM1就可以一邊向500K以後的地址寫資料， 一邊從地址0讀數， 到達10ms時，DPRAM1剛好寫完了1Mb資料， 並且讀了500K資料， 這個緩衝時間內DPRAM1讀了5ms； 在第3個緩衝週期的第5ms起(絕對時間為35ms時刻)， 同理可以一邊向500K以後的地址寫資料一邊從地址0讀數， 又讀取了5個ms， 所以截止DPRAM1第一個週期存入的資料被完全覆蓋以前，DPRAM1最多可以讀取20ms時間， 而所需讀取的資料為1Mb， 所以埠C1的資料速率為：1Mb/20ms=50Mbps。 因此， “ 資料預處理模組1” 的最低資料吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。 同理， “ 資料預處理模組2”的最低資料吞吐能力也僅僅要求為50Mbps。 換言之， 通過乒乓操作， “ 資料預處理模組”的時序壓力減輕了， 所要求的資料處理速率僅僅為輸入資料速率的1/2。
通過乒乓操作實現低速模組處理高速資料的實質是：通過DPRAM這種快取單元實現了資料流的串並轉換， 並行用“ 資料預處理模組1” 和“ 資料預處理模組2” 處理分流的資料， 是面積與速度互換原則的體現！