淺談FPGA的復位設(shè)計問題

1、為什么要設(shè)計復位?

首先回想一下，在平常的設(shè)計中我們是不是經(jīng)常采用同步復位或者異步復位的寫法，這一寫法似乎都已經(jīng)形成了肌肉記憶----每次我們寫always塊的時候總是會對所有的寄存器寫一個復位賦初值的語句。

這樣設(shè)計的目的是什么?似乎是為了給寄存器一個初值，避免仿真不定態(tài)或初始化操作錯誤。又似乎是為了在調(diào)試時能方便地使用按鍵進行復位(最常用的全局復位)。這么一看復位似乎是蠻重要的。

2、復位是否有必要?

似乎在平常的設(shè)計中，多數(shù)會使用異步復位的方式，異步復位由于是異步信號，所以不可避免地引入了亞穩(wěn)態(tài)的可能，這一可能性隨著時鐘頻率的提高而增加。好像在平常的設(shè)計與使用中，異步復位電路也不會引發(fā)什么問題。這是因為隨著器件工藝的提升，現(xiàn)在器件的上升時間在0.0x 納秒級，而一般設(shè)計的時鐘周期可能在100~200M。只要復位的釋放不是剛好在這0.0x 納秒內(nèi)就不會引發(fā)亞問題問題，顯然這個概率極小(比例--0.0x：10)，基本可以說是99.99不會有問題。但是著名的墨菲定律高速我們：再小概率的事情都會發(fā)生。所以不管怎樣這種事情我們都應該要想辦法避免。

再來看我們使用復位的主要目的：為了給寄存器一個初始值，從而避免仿真或使用錯誤。然而實際上，Xilinx的FPGA的內(nèi)部資源(觸發(fā)器和RAM)等都會在上電后默認賦初值，一般是0，或者可以在定義寄存器時手動賦值，如：

reg [1:0] test = 2'b01; //定義時即賦初值

這么看的話僅僅為了賦初值而存在的賦值就沒有意義的。數(shù)據(jù)鏈路上有初值就夠了，因為后來的數(shù)據(jù)總會沖走之前的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)仍然能穩(wěn)步傳遞。但是控制鏈路就一定需要被復位后一定要恢復到初始狀態(tài)，不然會“亂跑‘從而導致代碼運行異常。其中最經(jīng)典的例子就是狀態(tài)機了，顯然，如果狀態(tài)機的狀態(tài)模塊沒有復位的話，那么可能在出現(xiàn)異常后永遠無法恢復到正常狀態(tài)了。

最后，復位所使用的資源遠超你的想象：

3、應該怎樣設(shè)計復位?

說了這么多，那到底要怎么設(shè)計復位?

同步or異步?

在一文中探討過同步復位與異步復位的特點。

同步復位：

有利于仿真

由于只在時鐘有效電平到來時才有效，所以可以濾除高于時鐘頻率的復位毛刺，沒有亞穩(wěn)態(tài)問題

可以使所設(shè)計的系統(tǒng)成為 100%的同步時序電路，有利于時序分析

復位信號的有效時長必須大于時鐘周期，才能真正被系統(tǒng)識別并完成復位任務(wù)。同時還要考慮延時因素

大多數(shù)的FPGA的DFF都只有異步復位端口，采用同步復位的話，綜合器就會在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口插入組合邏輯，這樣會耗費邏輯資源

異步復位

大多數(shù)目標器件庫的dff都有異步復位端口，因此采用異步復位可以節(jié)省資源

設(shè)計相對簡單，異步復位信號識別方便，而且可以很方便的使用FPGA的全局復位端口GSR

復位信號容易受到毛刺的影響且容易存在亞穩(wěn)態(tài)問題

建議使用同步復位的方式，若一定要使用異步復位的話，則建議使用異步復位、同步釋放的方法。

高or低?

選擇高還是低，需要根據(jù)具體的電平標準、器件結(jié)構(gòu)來選擇，并不是一概而論低電平有效的好或者高電平有效的好。簡單經(jīng)驗：Altera的用低電平復位，Xilinx的用高電平復位。

總結(jié)

復位信號能不用就不要用，需要特定初值的可以在定義寄存器時賦值

如果一定需要則使用異步復位、同步釋放的方法，并將復位信號局部化，避免高扇出。

審核編輯：湯梓紅