乒乓操作（Ping-Pong）

乒乓操作

“ 乒乓操作” 是一个常常应用于数据流控制的设计思想， 典型的乒乓操作方法如下图 所示：

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• T1周期，输入数据流1缓存到数据缓冲模块1中，如上图棕色；
• T2周期，输入数据流2缓存到数据缓冲模块2中；同时将缓冲模块1中的数据送入数据流运算处理模块中，如上图蓝色。
• T3周期，输入数据流3缓存到数据缓冲模块1中，同时将缓冲模块2中的数据送入数据流运算处理模块中，如上图绿色。
• ...依次类推，每一阶段的读写传输完成后可使用flag信号标识，方便下一步传输的处理。

其中，数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口RAM(DPRAM)、单口RAM(SPRAM)、FIFO等。

波形表示

通过乒乓操作，我们即可通过节拍相互配合，最终实现数据的无缝缓冲与发送。
简单来看就是缓冲1写，则缓冲2读；缓冲2写，缓冲1读。

乒乓操作优点

• 优点
  • 没有乒乓操作时，数据首先进入存储模块，等待数据被取走送去处理模块。必须等待处理模块把数据都取走后，才能再送数据到存储模块，否则原数据会被新数据覆盖；这样存储模块和处理模块总是有一个空闲。
  • 站在整个模块的输入和输出端口看，输入的数据流和输出数据流是连续不断的。实现了数据连续的缓冲和处理。
  • 可以看成另一种流水线技术，对于传统的pipeline是对组合逻辑进行寄存器切割，是cycle级的操作。而乒乓是通过插入缓冲单元，对数据流从source流到destination的过程进行切割，是function block级的。
  • 增加系统的吞吐量，避免了存储模块和处理模块相互等待的情况。
• 缺点
  • 面积换速度。

乒乓速率控制

乒乓操作是一种设计方法，可以用于多种设计结构，这里再举一个例子。

BlockA和BlockB之间有数据流通，考虑两个模块的数据速率和数据读写顺序可能不同，两个模块不能同时工作，可以应用乒乓操作处理，提高系统吞吐率。

• 当A和B工作频率相同，读写顺序一致，在A和B中间插入一个双端口DPRAM，可以实现A和B同时工作。但当B读顺序与A写顺序相反，那么A和B也不能同时工作，需要等待DPRAM将A写的数据全部接收后，才可以再传给B。
  • 再加入一个SPRAM，形成乒乓结构，与前面介绍的相同，以周期为单位就可以完成两个Block之间的数据交互，且两者可同时工作。
• 当A和B工作频率不同
  • A的工作频率高于B的工作频率，那么一段相同时间下，A可能写8个数据，而B只能读走4个数据；一段时间后，SRAM会被A的数据填满，此时A往SRAM写的速率受B读的速率限制。
  • A的工作频率低于B的工作频率，那么一段相同时间下，A可能写4个数据，而B只能读走8个数据；那么SRAM经常会被读空。
  • 有些类似跨时钟域异步FIFO的情况，所以可同样使用wptr/rptr指针来判断SRAM什么时候满或什么时候空，来进行两个时钟域数据交换。

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Ping-Pong级联

        刚才讨论的仅仅是两个block之间的连接。当有多个function block进行连接时，可以在每两级之间插入一个ping-pong buffer结构，将它们一级一级连接起来，如下图所示。

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 多个buffer的ping-pong

     当block A和block B之间的速率差较高时，可以使用多个buffer构成的ping-pong结构，如下图所示。