Verilog设计Valid-Ready握手协议

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握手协议: 为了保证数据传输过程中准确无误，我们需要加上握手信号来控制信号的传输。握手协议的原则是：当Valid和Ready信号同时高有效时，数据在时钟上升沿传输。

      本篇文章使用Verilog设计一个简单的Valid-Ready握手协议电路。

      本设计可以实现数据的流入和数据的流出，这样一个双端口握手协议通道传输。Valid和Ready信号的原理类似于FIFO的读写和空满信号，就好像FIFO外边包了一层。

在FIFO的端口信号上加上如上图所示反相器，也可达到握手的效果。

Valid-Ready信号产生有两种情况。

Ready-Before-Valid

Ready-Before-Valid是Ready信号在Valid信号之前有效。如下时序图。

这样设计使得在数据来临之前，通道已准备好接收数据，可以保持通道的最大吞吐量，因为Ready先产生，这个通道保持刷新等待数据。通道作为接受数据端采用这样的设计。

Valid-before-Ready

Valid-before-Ready是Valid信号在Ready信号之前有效。通道作为数据输出端采用这样的设计。收到下游接收端的准备接收信号，才开始传输数据。

Valid-Ready协议Stalemate情况

Stalemate可以理解为“锁住”。假设我们不遵守上面两种接收端和输出端的设计规则。

输出端用Ready-Before-Valid而接受端使用Valid-before-Ready，就会出现输出端等待接受端给出的Ready来输出数据，但是接收端也在等待输出端给出Valid信号来接受数据。两者都在等待却没有一方先给，所以这个时候这个通道就是无效的，被“锁住”了。

管道停止传输的情况

管道传输空的情况

握手协议的几种连接情况

灵活连接

Verilog设计

前面说过握手协议的接口可以在同步FIFO的基础上加以修改，修改电路如图

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

这是加了缓存后的设计，也可以直接传输不加缓存直出。电路如下图。

verilog实现代码：

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