基于Xilinx FPGA的復(fù)位信號處理

作者：NingHeChuan

Get Smart About Reset: Think Local, Not Global。
對于復(fù)位信號的處理，為了方便我們習(xí)慣上采用全局復(fù)位，博主在很長一段時間內(nèi)都是將復(fù)位信號作為一個I/O口，通過撥碼開關(guān)硬件復(fù)位。后來也看了一些書籍，采用異步復(fù)位同步釋放，對自己設(shè)計的改進(jìn)。

不過自從我研讀了Xilinx的White Paper后，讓我對復(fù)位有了更新的認(rèn)識。

One of the commandments of digital design states,"Thou shalt have a master reset for all flip-flops so that the test engineer will love you, and your simulations will not remain undefined for time eternal."

這句是用來裝逼的。使用全局復(fù)位有利于我們仿真，所有的寄存器都是有初始值的，也可以在任意時刻讓你的寄存器恢復(fù)初值，所以驗證工程師很喜歡這樣的設(shè)計，但是Xilinx建議的是盡量避免使用全局復(fù)位，這是為什么呢。

全局復(fù)位并不是好的處理方式
我們習(xí)慣上通常使用的復(fù)位有三種，

硬件開關(guān)：復(fù)位信號接一個撥碼開關(guān)。

電源芯片：上電時候電源芯片產(chǎn)生，可以長時間維持，直到穩(wěn)定。

控制芯片：控制芯片產(chǎn)生復(fù)位脈沖。

這些復(fù)位信號和FPGA內(nèi)部信號的變化比起來是比較慢的。復(fù)位按鈕最快也會到達(dá)毫秒級別，而FPGA內(nèi)部信號都是納秒級別的變化。全局復(fù)位的周期遠(yuǎn)大于系統(tǒng)時鐘的周期，是完全可以保證所有的觸發(fā)器被成功復(fù)位的。

但隨著系統(tǒng)的頻率越來越快，全局復(fù)位信號的釋放形成一個高扇出的網(wǎng)絡(luò)。

Fan-out即扇出，模塊直接調(diào)用的下級模塊的個數(shù)，如果這個數(shù)值過大的話，在FPGA直接表現(xiàn)為net delay較大，不利于時序收斂。因此，在寫代碼時應(yīng)盡量避免高扇出的情況。

如圖，全局復(fù)位的釋放需要傳輸?shù)讲煌挠|發(fā)器。每一個觸發(fā)器需要被釋放復(fù)位，但是隨著時鐘頻率的提高，加上復(fù)位路徑網(wǎng)絡(luò)的延遲，而且全局復(fù)位還是一個高扇出的網(wǎng)絡(luò)，所以這對系統(tǒng)的時序是一個大挑戰(zhàn)。

通常情況下，復(fù)位信號的異步釋放，沒有辦法保證所有的觸發(fā)器都能在同一時間內(nèi)釋放。觸發(fā)器在A時刻接收到復(fù)位信號釋放是最穩(wěn)定的，在下一個時鐘沿來臨被激活，但是如果在C時刻接收到復(fù)位信號釋放無法被激活，在B時刻收到復(fù)位信號釋放，則會引起亞穩(wěn)態(tài)。

隨著系統(tǒng)時鐘頻率的提高，并不是所有的觸發(fā)器都能在同一個時刻從復(fù)位狀態(tài)被釋放。

復(fù)位真的有那么重要嗎？
白皮書上又說了，好的消息是99.9%的情況下，全局復(fù)位的異步釋放并不會出現(xiàn)問題。所以大多數(shù)電路都可以正常工作。但是，如果你有了第一次就不能工作的電路，那你就是遇到那0.01%的情況，很不幸你的復(fù)位信號被在錯誤的時刻重置。（哈哈，皮）
在一些情況下，復(fù)位釋放的時間并不重要。

當(dāng)你的數(shù)據(jù)采用流水線操作的時候，復(fù)位釋放的時間并不重要，因為不管你流水線后面的觸發(fā)器復(fù)位釋放后是否出錯，只需要一些周期后，整個流水線就又會正常工作了。白皮書上還說，這樣的復(fù)位也是沒有意義的。

但是有一些情況下，復(fù)位的釋放后是很重要的。

比如獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)。如果表示獨(dú)熱碼狀態(tài)的第一個觸發(fā)器比第二個觸發(fā)器早釋放了一個時鐘周期，那狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)機(jī)會跳轉(zhuǎn)到一個無效的狀態(tài)。如果所有的表示獨(dú)熱碼的寄存器無法在同一個周期內(nèi)被釋放，那狀態(tài)機(jī)肯定會跳轉(zhuǎn)到一個無效的狀態(tài)。還有一些例子，請讀者自己看白皮書。

解決99.99%的情況

其實當(dāng)Xilinx FPGA配置或重新配置時，所有的單元都會被初始化。白皮書稱為master reset，因為這可比你復(fù)位一些D觸發(fā)器要強(qiáng)得多，它甚至初始化了片內(nèi)RAM。

Xilinx的器件也有嵌入處理的系列，軟核或硬核。在程序執(zhí)行第一條指令前，程序和數(shù)據(jù)區(qū)域已經(jīng)定義好了。有了上電復(fù)位，還用專門消耗邏輯資源去復(fù)位觸發(fā)器是沒有意義的。

解決0.01%的方法
當(dāng)然，白皮書也給出了處理復(fù)位的建議和方法。

Think Local, Not Global。異步復(fù)位，同步釋放的方法。用內(nèi)部定義復(fù)位信號的方法來復(fù)位觸發(fā)器，而不是全都直接使用全局復(fù)位信號。當(dāng)進(jìn)行復(fù)位操作時，所有的觸發(fā)器被預(yù)設(shè)為1。如上圖，移位寄存器的最后一個觸發(fā)器去操作模塊內(nèi)部定義的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)復(fù)位信號釋放時，移位寄存器經(jīng)過移位，當(dāng)最后一個觸發(fā)器由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，對本地的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)位操作。也就是異步復(fù)位，同步釋放。

復(fù)位的消耗的資源比你想象的要多
復(fù)位網(wǎng)絡(luò)占用大量布線資源。
提高了布局布線時間。
使用器件的邏輯資源。
會使你的設(shè)計變得更大。
占用更多的邏輯資源肯定會影響你的性能。
具體請參閱白皮書。

總結(jié)
并不是所有部分的設(shè)計都需要復(fù)位，所以設(shè)計者在設(shè)計過程中應(yīng)該準(zhǔn)確判斷需要被復(fù)位的部分，從而采用異步復(fù)位、同步釋放的方法進(jìn)行對復(fù)位的嚴(yán)格處理。

當(dāng)我們在設(shè)計每一個部分的時候，都要內(nèi)心問問自己，這個bit需要被復(fù)位嗎？

那么怎樣處理Xilinx FPGA中的復(fù)位呢？Xilinx的工程師也給出了解釋和方法。

https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1278998

http://xilinx.eetrend.com/d6-xilinx/article/2013-07/4343.html

簡單總結(jié)就是，Xilinx的FPGA 應(yīng)該盡量避免全局復(fù)位，有些部分的設(shè)計都可以不用復(fù)位，必需要復(fù)位的設(shè)計而采用 同步 高復(fù)位。

代碼如下。設(shè)計中需要復(fù)位的部分，使用產(chǎn)生的sys_rst信號進(jìn)行同步復(fù)位，而且是同步 高復(fù)位。再次貼出下圖。

module Sys_Rst(
input clk,
input rst,
output sys_rst

);

reg rst_r0;
reg rst_r1;

always @(posedge clk or posedge rst)begin
if(rst)begin
rst_r0 rst_r1 end
else begin
rst_r0 rst_r1 end
end

assign sys_rst = rst_r1;

endmodule

編輯：hfy