詳細(xì)解讀FPGA復(fù)位的重點

本篇文章參考Xilinx White Paper：Get Smart About Reset: Think Local, Not Global

在沒看這篇文章前，回想一下平時我們常用的復(fù)位方式：
① 首先，上電后肯定是要復(fù)位一下，不然仿真時會出現(xiàn)沒有初值的情況；
② 最好有個復(fù)位的按鍵，在調(diào)試時按一下復(fù)位鍵就可以全局復(fù)位了；
③ 也許是同步復(fù)位，也許是異步復(fù)位，不同的工程師可能有不同的方案。

但如果認(rèn)真看了Xilinx的White Paper，就會對復(fù)位有了新的認(rèn)識。

我們把White Paper的內(nèi)容總結(jié)為下面4個問題：
① 需不需要復(fù)位？
② 同步復(fù)位 or 異步復(fù)位？
③ 高復(fù)位 or 低復(fù)位？
④ 全局復(fù)位 or 局部復(fù)位？怎么用？

1. 需不需要復(fù)位？

看到這個問題，可能很多同學(xué)會有點懵，怎么可能不需要復(fù)位？其實Xilinx FPGA在系統(tǒng)上電配置時，會有一個GSR(Global Set/Reset)的信號，這個信號有以下幾個特點：
? 預(yù)布線
? 高扇出
? 可靠的

這個信號可初始化所有的cell，包括所有的Flip-Flop和BRAM。

如果我們在程序里用自己生成的復(fù)位信號，也只能復(fù)位Flip-Flop。

這個GSR信號我們可以在程序中通過實例化STARTUP直接調(diào)用，但Xilinx并不推薦這么使用。

主要原因是FPGA會把像系統(tǒng)復(fù)位這種高扇出的信號放到高速布線資源上，這比使用GSR要快，而且更容易進(jìn)行時序分析。

雖然有GSR，但這并不是說要避免使用復(fù)位信號，以下兩種情況就必須要加復(fù)位：

? 帶有反饋的模塊，比如IIR這種濾波器和狀態(tài)機(jī)，當(dāng)狀態(tài)跑飛了，就需要復(fù)位一下

? 應(yīng)用過程中需要復(fù)位的寄存器

這個就具體看是什么應(yīng)用了，我們公司的很多寄存器都需要在調(diào)試過程中需要經(jīng)常復(fù)位，像這種復(fù)位就是必須的了。

所以，需不需要復(fù)位完全看設(shè)計。這里多提一點，時序收斂也是一樣，主要看設(shè)計，而不是約束。

2. 同步復(fù)位 or 異步復(fù)位？

在HDL中，如果敏感列表中不包含rst，會被綜合成同步復(fù)位：

always @ ( posedge clk )
begin
    if(rst)
        ...
end

如果敏感列表中包含rst，則會被綜合成異步復(fù)位：

always @ ( posedge clk or posedge rst)
begin
    ...
end

同步復(fù)位的好處，不言而喻，有利于時序分析，降低亞穩(wěn)態(tài)的幾率，避免毛刺。

同步信號的缺點：
? 復(fù)位信號有效電平持續(xù)時間必須大于時鐘周期，不然時鐘可能采不到復(fù)位
? 在沒有時鐘的時候無法復(fù)位

也有很多同學(xué)會說同步復(fù)位會需要額外的資源，但對于Xilinx的FPGA，是沒有這個問題的，具體原因后面講。

對于異步復(fù)位，好處就是同步復(fù)位的反方面：脈沖寬度沒有限制，沒有時鐘也可以復(fù)位。

缺點就是異步電路，容易引起亞穩(wěn)態(tài)，產(chǎn)生毛刺，不利于時序分析，而且不同觸發(fā)器的復(fù)位時間可能不同。下面這個圖中，在A時刻接收到復(fù)位信號拉低的FF可以在下一個時鐘上升沿時就釋放復(fù)位狀態(tài)，但C時刻接收到復(fù)位信號拉低的FF則在下下個時鐘上升沿時才能釋放復(fù)位狀態(tài)。

按照White Paper上所講，99.99%的概率這種情況都不會發(fā)生，但如果你剛好碰到一次這種現(xiàn)象，那你就是那0.01%。

下面我們來舉一個例子來說明同步復(fù)位和異步復(fù)位，F(xiàn)PGA為V7，代碼如下：

module rst_demo(
 input clk,
 input rst1,
 input rst2,
 input in1,
 input in2,
 output reg out1,
 output reg out2);

 always @ ( posedge clk )
 begin
    if(rst1)
        out1 <= 1'b0;
    else
        out1 <= in1;
 end

 always @ ( posedge clk or posedge rst2 )
 begin
    if(rst2)
        out2 <= 1'b0;
    else
        out2 <= in2;
 end

 endmodule

綜合后的schematic如下圖：

可以看出來，同步復(fù)位和異步復(fù)位都是占用一個Storage Element，我們在之前的一篇文章中講過Storage Element可以配置為Latch，同樣的，也可以配置為FDRE和FDCE，而且在7Series手冊中也并未提到配置成FDRE或FDCE時是否會占用更多資源（比如，7Series的FPGA中，一個Slice中有8個Storage Element，如果其中一個被配置成了Latch，那有4個Storage Element是不能用的），因此在Xilinx的FPGA中，同步復(fù)位和異步復(fù)位在資源占用上，并沒有區(qū)別。

3. 高復(fù)位 or 低復(fù)位？

很多處理器上的復(fù)位都是低復(fù)位，這也導(dǎo)致了很多同學(xué)在使用復(fù)位信號時也習(xí)慣使用低復(fù)位了。但從我們上一節(jié)所講中可以看出，無論是同步復(fù)位還是異步復(fù)位，復(fù)位信號都是高有效，如果采用低復(fù)位，還需要增加一個反相器。

如果接收到其他處理器發(fā)過來的低有效復(fù)位信號，我們最好在頂層模塊中翻轉(zhuǎn)復(fù)位信號的極性，這樣做可以將反相器放入IO Logic中，不會占用FPGA內(nèi)部的邏輯資源和布線資源。

這里多補充一點，如果使用Zynq和Microblaze，則Reset模塊默認(rèn)是低復(fù)位，我們可以手動設(shè)置為高復(fù)位。

4. 全局復(fù)位 or 局部復(fù)位？怎么用？

我們對復(fù)位常用的做法是將系統(tǒng)中的每個FF都連接到某個復(fù)位信號，但這樣就造成了復(fù)位信號的高扇出，高扇出就容易導(dǎo)致時序的違規(guī)。而且全局復(fù)位占用的資源比我們想象中要高的多：

? 布線資源占用
? 其他網(wǎng)絡(luò)的布線空間就相應(yīng)減少
? 可能會降低系統(tǒng)性能
? 增加布線時間
? 邏輯資源占用
? 占用FF作為專門的復(fù)位電路
? 如果該復(fù)位信號還受其他信號控制，會導(dǎo)致FF的輸入前增加門電路
? 會增加整個設(shè)計的size
? 增加的邏輯資源會影響系統(tǒng)性能
? 增加布局布線時間
? 全局復(fù)位不會使用像SRL16E這種高效結(jié)構(gòu)
? 在LUT中SRL16E可當(dāng)作16個FF
? 這些Virtual FF不支持復(fù)位
? 增加設(shè)計的size，并降低系統(tǒng)性能
? 增加布局布線時間

因此，Xilinx推薦盡量使用局部復(fù)位的方式，前面我們也講到然同步復(fù)位和異步復(fù)位都多多少少有些問題，那有沒有一種方式可以結(jié)合同步復(fù)位和異步復(fù)位的優(yōu)點？當(dāng)然有，就是異步復(fù)位，同步釋放。這種方法可以將兩者結(jié)合起來，取長補短。如下圖所示，所謂異步復(fù)位，就是輸入的復(fù)位信號仍然是異步的，這樣可以保證復(fù)位信號能夠起效；而同步釋放是指當(dāng)復(fù)位信號釋放時，輸出的sys_rst并不是立即變化，而且被FF延遲了一個時鐘周期，這樣讓復(fù)位和時鐘同步起來。

圖中的Verilog代碼如下：

module rst_demo(
 input      clk, 
 input      rst_async, 
 (* keep = "true" *)
 output  reg  rst_module1 = 0,
 (* keep = "true" *)
 output  reg  rst_module2 = 0
    );

reg         sys_rst;
reg         rst_r;

always @(posedge clk or posedge rst_async) begin
    if (rst_async) begin
        rst_r <= 1'b1;
    end
    else begin
        rst_r <= 1'b0;
    end
end

always @(posedge clk or posedge rst_async) begin
    if (rst_async) begin
        sys_rst <= 1'b1;
    end
    else begin
        sys_rst <= rst_r;
    end
end

always @ ( posedge clk ) begin
    rst_module1 <= sys_rst;
    rst_module2 <= sys_rst;
end

endmodule

綜合后的schematic如下圖：

異步復(fù)位模塊輸出的sys_rst通過n個D觸發(fā)器后輸出給n個模塊，當(dāng)做模塊的復(fù)位信號。

總結(jié)

在使用復(fù)位信號時，考慮這個寄存器需不需要在運行過程中進(jìn)行復(fù)位，如果只需要上電后復(fù)位一次，那只需在定義時寫上初值即可，無需使用其他復(fù)位信號；在Xilinx的FPGA中盡量使用高有效的復(fù)位信號，采用異步復(fù)位同步釋放的方式，并且要將復(fù)位信號局部化，避免使用高扇出的全局復(fù)位。

編輯：hfy