如何写出时序最优的HDL代码？如何写出时序裕量足够的代码？

你想写出可以跑出700M以上的代码吗，直逼FPGA内部PLL的极限。

你想写出时序裕量足够的代码吗，让你的代码不会出现时序违例。

你想在时序违例时能轻松应对吗？让代码轻松越过时序这道门槛。

这篇文章就是一步步向你解释，如何理解代码中的时序，以及如何解决代码中的时序违例问题。

之前的文章中提到过，工程中ISP算法模块轻松跑到了762.5M的频率，整个ISP链路没有优化的情况下跑到400M的时钟频率（xilinx的us+系列）。

这篇文章将逐步解开HDL代码中的时序之谜，并且让你轻松应对FPGA中的时序问题。我将从实际工程的ISP算法模块出发，从设计到时序违例的查找，一步步提高代码的时序性能。

在第一个ISP模块DPC中，我使用了一个在3x3的矩阵中查找中值的模块，也就是大家常用的中值滤波器。是不是很多人都设计过，先不着急觉得是否简单，而是看如何把算法移植和时序的思想灌入到这个模块之中。

首先假设你已经得到了一个3x3的矩阵，简单看看设计思想：

在3x3 窗口中获取9 个数据，对9 这个数据值进行排序，排序步骤如下

A）窗内的每行数据找到最大值、中间值和最小值；

B）把三列的最小值相比较，取其中的最大值；

C)把三列的最大值相比较，取其中的最小值；

D)把三列的中间值相比较，再取一次中间值；

E) 再把B,C,D 中得到的三个值再排序，获取中值。

有了设计思想就有了灵魂，剩下的是如何构建一个有血有肉的躯体了。经过思考不难发现，9个数的中值滤波变成了3次在3个数中找最大值，最小值，中值。

第一次：执行步骤A。

第二次：执行步骤B,C,D .

第三次：执行E 。

第一次三行D1,D2,D3并行，第二次三列Dxmax，Dxmed,Dxmin并行,第三次在剩下的三个数里面找到中值，运算完毕。所以9个数据的中值查找的设计，变成了一个只需要解决三个数据里面找到max，med，min的设计。

是不是觉得这太简单了。别急，听我继续分析：

既然是在三个数据里面排序，那就需要两两比较，于是就是需要比较3次。A 与B ，B与C，A与C。现在假设A

好，此时另一个误区可能就要出现了。因为flag可能为0也可能为1，那么你得到了三个flag，一共有多少种情况呢？可能有人不假思索地回答8种，因为3bit数据，2^3= 8 ，所以就是8 种。其实不是，用概率与统计的知识，三个数据的排序应该是有C31* C21 * C11 = 6 种。真值表如下

A	B	A
0	0	0	max=A,min = C
0	0	1	不存在
0	1	0	max=A,min = B
0	1	1	max=C,min = B
1	0	0	max=B,min = C
1	0	1	max=B,min = A
1	1	0	不存在
1	1	1	max=C,min = A

算法分析完毕，剩下的就是代码设计了。首先你需要进行三次比较。

针对上述代码，画出对应的数字电路示意图，（mux的三个输入端省略了datx_reg）

我假设FPGA内部按照上图所示的方式进行布局布线，那么最长数据路径应该是dat2_reg→comp_12 → mux3. （或者说是dat2_reg→ comp_23 → mux1）这条路径也就被称之为最长路径或者关键路径。时序分析工具干的事情就是，分析这条最长路径（当然其他路径也分析）上的时序是否满足条件。

单独把这条路径抠出来，它就是这样子的。于是，STA静态时序分析的模型就出来了,计算reg到reg之间的延迟,两个reg之间，经历了一个比较器和一个多路选择器这两个组合逻辑。

如果上述的路径因为走线（linelatency）延迟，或者是因为逻辑延迟（logiclatency）过大导致了时序违例，那么我们就应该在两个组合逻辑之间插入reg。从电路上，应该如下图所示。

那么从代码的角度，应该这样修改，就可以达到上图的效果：

好了，有了这个参考模板，再去看其他的中值滤波代码，你就知道要从哪里去优化了。

为了让大家更好的理解时序，我在网上找了两个用相同的算法思路设计的开源的代码。看他们的设计方法

三方代码 1

三方代码 2

可以看到数据比较的时候，逻辑明显有冗余，EDA工具不一定能自动优化。

然后我将两个三方的代码，以及我自己的代码放入同一工程中进行编译，故意加大时钟频率，让它们出现时序违例，从而找出关键路径。

三方的两个模块我例化成 median_filter_3x3 ，和 medfilter3by3 ，用vivado2022.1进行编译。得到时序违例报告

再进一步分析关联路径1，得到了如下图所示的路径示意图

可以看到在两个 reg之间有4个逻辑块，然后再去代码中找到相应的位置。然后再追究到代码内部。

可以看到，代码中多次出现重复性的数据比较，这都是数据优化的方向。具体的位置就是 33-37行，最后vivado推测出第37行，需要经过4级组合逻辑才能将dat3 赋值给 mid_dat 。

审核编辑：刘清