Verilog設計Valid-Ready握手協議

http://ninghechuan.com/2019/01/17/Verilog%E8%AE%BE%E8%AE%A1Valid-Ready%E6%8F%A1%E6%89%8B%E5%8D%8F%E8%AE%AE/

      Handshake Protocol握手協議: 為了保證數據傳輸過程中准確無誤，我們需要加上握手信號來控制信號的傳輸。握手協議的原則是：當Valid和Ready信號同時高有效時，數據在時鍾上升沿傳輸。

      本篇文章使用Verilog設計一個簡單的Valid-Ready握手協議電路。

      本設計可以實現數據的流入和數據的流出，這樣一個雙端口握手協議通道傳輸。Valid和Ready信號的原理類似於FIFO的讀寫和空滿信號，就好像FIFO外邊包了一層。

在FIFO的端口信號上加上如上圖所示反相器，也可達到握手的效果。

Valid-Ready信號產生有兩種情況。

Ready-Before-Valid

Ready-Before-Valid是Ready信號在Valid信號之前有效。如下時序圖。

這樣設計使得在數據來臨之前，通道已准備好接收數據，可以保持通道的最大吞吐量，因為Ready先產生，這個通道保持刷新等待數據。通道作為接受數據端采用這樣的設計。

Valid-before-Ready

Valid-before-Ready是Valid信號在Ready信號之前有效。通道作為數據輸出端采用這樣的設計。收到下游接收端的准備接收信號，才開始傳輸數據。

Valid-Ready協議Stalemate情況

Stalemate可以理解為“鎖住”。假設我們不遵守上面兩種接收端和輸出端的設計規則。

輸出端用Ready-Before-Valid而接受端使用Valid-before-Ready，就會出現輸出端等待接受端給出的Ready來輸出數據，但是接收端也在等待輸出端給出Valid信號來接受數據。兩者都在等待卻沒有一方先給，所以這個時候這個通道就是無效的，被“鎖住”了。

管道停止傳輸的情況

管道傳輸空的情況

握手協議的幾種連接情況

靈活連接

Verilog設計

前面說過握手協議的接口可以在同步FIFO的基礎上加以修改，修改電路如圖

assign  valid_o = ~fifo_empty;
assign  ready_i = ~fifo_full;
assign  wr_en = ready_o & valid_i;
assign  rd_en = ready_i & valid_o

這是加了緩存后的設計，也可以直接傳輸不加緩存直出。電路如下圖。

verilog實現代碼：

module Handshake_Protocol(
	input clk,
	input rst_n,

	input 			valid_i, //from pre-stage
	input       	data_i, //from pre-stage
	input 			ready_i, //from post-stage

	output 			ready_o,//to pre-stage
	output 			valid_o, //to post-stage
	output      	data_o //to post-stage
);

	reg 		valid_o_r;
	reg   	data_o_r;

    always @(posedge clk)
		if(~rst_n)
			valid_o_r <= 1'b0;
		else if(valid_i)
			valid_o_r <= 1'b1;
		else if(~valid_i)
			valid_o_r <= 1'b0;

	always @(posedge clk)
		if(~rst_n)
			data_o_r <= 1'b0;
		else if(valid_i)
			data_o_r <= data_i;

	assign ready_o = ready_i;
	assign valid_o = valid_o_r;
	assign data_o = data_o_r;
endmodule

Reference

Using the Valid-Ready pipeline protocol ——ZIPcores.com

Data Transfers Synchronous handshake ——Giorgos Dimitrakopoulos

https://stackoverflow.com/questions/53583946/valid-ready-handshake-in-verilog

https://filebox.ece.vt.edu/~athanas/4514/ledadoc/html/pol_cdc.html