优化时序之补全if else

时序优化中重要的一项就是提高模块的最高工作频率，工作频率由关键路径决定，通常的提高工作频率的步骤是：利用时序分析工具找到关键路径，分析关键路径主要延迟是布线延迟还是逻辑延迟，然后轮番十八般武器，如果是逻辑延迟过大就用逻辑切割，插入D触发器，如果布线延迟太长，则复制触发器，减小负载等等，按部就班后，有时可以明显改善，但很多时候由于设计需求所限不能插入触发器，或是面积受限无法复制触发器，这些程式化的优化方法收效就甚微了，此时，该怎么办呢？ 马克思爷爷曾经说过：“世上任何事物都不是孤立的，而是相互联系的，相互制约，相互作用”。受此启发，我们所看到的关键路径，并不是单单由关键路径上的逻辑决定的，而是由工程里所有的逻辑决定的，其中也包括很多和关键路径无关的逻辑。一块FPGA的资源是固定的，如果工程里的一些模块优先占用了风水宝地，剩下的模块只能将就着使用其次的资源，最终很委屈的成为了关键路径。所以，关键路径的形成可能并不是由于自身逻辑的复杂，而是好的资源被其他模块抢走了，我们可以换一换思路，不要局限于关键路径，从系统角度出发，通过简化关键路径之外模块的逻辑，提高工作频率。

最有效的简化方法一般都要基于具体的工程而言，从需求，功能，实现等大方向做减法，这些方法需要很强的专业背景，不具备通用性，而我想从更具普遍性的编码风格细节入手，谈一谈好的编码风格是如何简化逻辑，提高工作频率的。本篇先来讲讲大家再熟悉不过，但又很容易被忽视的if  else。

if else在FPGA工程里可以说是无处不在，在时序逻辑里其主要可以归为两类，一类是补全if else的，主要用于选择器，如下所示，当sel_1有效输出0，sel_2有效时输出1，其他情况都输出0。

always @(posedge clk or negedge rset_n)
begin
    if(!rset_n)
        d <= 0;
    else if(sel_1)
        d <= 0;
    else if(sel_2)
        d <= 1;
    else
        d <= 0;
end

其RTL图如图一所示，很简单，就是一个选择器加一个D触发器。

图一

另一类是没有补全的if else，主要用于锁存数据，如下所示，和上例不同的是，当sel_1和sel_2无效时，输出会保持上一个状态。

always @(posedge clk or negedge rset_n)
begin
    if(!rset_n)
        d <= 0;
    else if(sel_1)
        d <= 0;
    else if(sel_2)
        d <= 1;
end

其RTL图如图二所示，和图一相比，多了一个选择器，并将D触发器的输出反馈到了选择器的输入端，实现锁存的功能。

图二

从上述可知，补全if else实现的逻辑会比if else不全的逻辑少一条反馈路径和一个选择器，如果是更复杂的应用，后者消耗的资源可能还会更多。

至此，如能根据具体的应用，需要选择器时使用补全的if else，需要锁存功能时，使用不全的if else，那就没有任何问题了，但是，我想重点提醒下，很多人在使用时，对这两种编码风格混淆不清，特别是在一段式状态机里，造成了不必要的浪费，拉低了最高工作频率，下面举一个工作中实际的例子。

工程需要跑到200MHz，但在优化前只有174MHz，查看关键路径如图三所示。

图三

oe_width到fast_rd_wait_fifo是当前的速度瓶颈，由于设计所限，无法在这条路径内插入D触发器，开启quartus的寄存器复制优化项，效果也不明显...常用的优化方法都试过一遍了，但都没太多疗效。按照开篇提到的马克思爷爷的"万事万物都有联系"的思路，撇开关键路径，查看工程里其他的模块是否有可以简化之处，寻找了良久，终于找到了一个貌似可以优化的状态机，截取了其中的关键代码如下。

....
case(fast_rd_state)

fast_rd_st0:
begin
    if(executive_cmd)
    begin
        fast_rd_busy  <= 1;
        if(!count_en)
        begin
            fast_rd_ok    <= 0;
            rdaddr_add <= 1;
            fast_rd_state <= fast_rd_st1;
        end
        else
        begin
            fast_rd_ok    <= 0;
            rdaddr_add <= 1;
            fast_rd_state <= fast_rd_st2;
        end
    end
    else
    begin
        fast_rd_busy  <= 0;
        fast_rd_ok    <= 0;
        rdaddr_add <= 0;
        fast_rd_state <= fast_rd_st0;
    end
end

fast_rd_st1:
begin
    rdaddr_add <= 0;
    if(rd_count_almost_full)
    begin
        if(fifo_wrusedw < fifo_rd_deep)
        begin
            fast_rd_busy  <= 0;
            fast_rd_ok    <= 1;
            fast_rd_state <= fast_rd_st0;
        end
        else
        begin
            //fast_rd_busy  <= 1;       /*注意这句话*/
            fast_rd_ok    <= 0;
            fast_rd_state <= fast_rd_st3;
        end
    end
    else
    begin
        //fast_rd_busy  <= 1;         /*注意这句话*/
        fast_rd_state <= fast_rd_st1;
    end
end
.....

注意红色加粗部分，优化前是没有这两句话的，所以优化前，这是一个没有补全的if else，会综合出锁存器，当初没加这两句话的原因是：从逻辑上感觉没有必要，因为从fast_rd_st0状态跳到fast_rd_st1状态后，fast_rd_busy肯定是1了，没有必要再在fast_rd_st1状态机里加上fast_rd_busy  <= 1，让其保持上一个状态的输出就可以了，而且这样还可以省两行代码，关键是实际的执行的结果完全正常。

但是，实际上根本不需要在fast_rd_st1状态锁存fast_rd_st0状态时fast_rd_busy的输出，在红色加粗处补上 fast_rd_busy  <= 1后，将状态机变成补全的if else类型后，奇迹发生了，综合频率提高到了190MHz，虽然还没达到200MHz，但相比没有补全if else的写法，提高了16MHz，再看关键路径报告如图四，oe_width到fast_rd_wait_fifo的关键路径悄无声息的消失了。

图四

这再一次的证明了马爷爷的思想是多么的神奇和伟大，没有使用任何传统的优化方式，仅仅是改变了其他逻辑的编码风格，就显著的提升了工作频率，虽然从程序上看，fast_rd_busy并不直接属于关键路径的逻辑范畴，但fast_rd_busy牵扯到的逻辑资源和关键路径的逻辑有着紧密的间接相互作用关系，继续查找频率提升的原因，用Technology map viewer查看没有补全if else的fast_rd_busy的源端逻辑资源如图五所示。

图五

再看看补全if else情况下fast_rd_busy的Technology map viewer如图六所示。

图六

比较图五和图六，前者具备锁存功能，将fast_rd_busy的输出经过复杂的判断比较逻辑又反馈到了寄存器的输入端，牵扯到的逻辑要明显多于后者，补全if else后，只有选择功能，省去了输出反馈的逻辑，整体的工作频率自然就得到了改善。

使用if else时，我们常常会因为其简单，而混淆了带锁存器和无锁存器这两种编码风格，更甚，在误用了没有补全的if else的写法后，会因其表面的逻辑功能正常和减少的代码量而觉得不以为然，其实，它都在潜移默化的影响着你工程的关键路径，赶紧看看你的工程里是否存在这些没有必要的锁存器吧，统统去掉，定有惊喜等着你奥。