Xilinx FPGA的同步復(fù)位和異步復(fù)位

1. 普通邏輯的復(fù)位

對(duì)于xilinx 7系列的FPGA而言，flip-flop支持高有效的異步復(fù)/置位和同步復(fù)位/置位。對(duì)普通邏輯設(shè)計(jì)，同步復(fù)位和異步復(fù)位沒有區(qū)別，當(dāng)然由于器件內(nèi)部信號(hào)均為高有效，因此推薦使用高有效的控制信號(hào)，最好使用高有效的同步復(fù)位。輸入復(fù)位信號(hào)的低有效在頂層放置反相器可以被吸收到IOB中。

下面細(xì)說原因

先比較一下同步復(fù)位和異步復(fù)位的區(qū)別：

首先是同步復(fù)位，同步的控制信號(hào)包括同步置位/復(fù)位和使能，可以被吸收到LUT中，目的是為了防止控制集不同的LUT不能被綜合到同一個(gè)slice中，這樣雖然提高了了LUT的使用率，卻降低了slice的使用率，得不償失。

控制信號(hào)扇出不大于16的情況都可以盡可能的被吸收到同一個(gè)slice的LUT中去，在vivado中可以使用control_set_opt_threshold進(jìn)行設(shè)置。

同步復(fù)位

always @（posedge I_sys_clk）

begin

if（I_rst）

begin

OUT1 《= 0;

end

else

begin

OUT1 《= &{a1，a2，a3，a4，a5，a6};

end

end

控制集優(yōu)化為2時(shí)，可以看出復(fù)位信號(hào)中插入了LUT，但是由于在同一個(gè)slice中，使用造成的延時(shí)并不顯著。注意對(duì)于扇出大的信號(hào)比如全局復(fù)位來說，這種控制集優(yōu)化是不起作用的。

控制集合優(yōu)化為0時(shí)，可以看出不會(huì)使用多于的LUT邏輯。

異步復(fù)位

always @（posedge I_sys_clk or posedge I_rst）

begin

if（I_rst）

begin

OUT1 《= 0;

end

else

begin

OUT1 《= &{a1，a2，a3，a4，a5，a6};

end

end

異步復(fù)位跟沒有使用控制集綜合出的結(jié)果相同，可以看出不會(huì)使用額外的LUT邏輯。

分析Recovery/Removal

異步復(fù)位有Recover time 和Remove time 的風(fēng)險(xiǎn)，也就是說recovery time和removal time都是檢查異步信號(hào)（reset或preset或set）的釋放沿，釋放沿必須在時(shí)鐘沿前面提前recovery time釋放，或者在時(shí)鐘沿后removal time之后釋放。

順便簡(jiǎn)單分析一下setup/hold，對(duì)于同一個(gè)時(shí)鐘，肯定滿足data_path》clk_path，而hold的要求很小，所以肯定滿足。當(dāng)data_path過長時(shí)，setup可能不滿足。

假如不作同步的復(fù)位信號(hào)，那么recovery/removal都有可能不滿足。

再考慮被本地時(shí)鐘同步后的recovery/removal，同理復(fù)位信號(hào)對(duì)removal的時(shí)間要求很小，同步后的復(fù)位信號(hào)的延遲就能滿足removal。由于設(shè)計(jì)中的全局復(fù)位信號(hào)一般有很大的扇出，布線的延時(shí)會(huì)很嚴(yán)重，因此recovery的要求變得嚴(yán)格。最好采用全局布線資源如BUFG，盡量用局部復(fù)位或者避免使用復(fù)位。

因此不管是同步復(fù)位還是異步復(fù)位，都要使用同步后的復(fù)位信號(hào)。復(fù)位信號(hào)進(jìn)來后先用本地時(shí)鐘打兩拍。在多個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)候注意是本地時(shí)鐘，不是全局時(shí)鐘。并在rtl中注明是異步寄存器，使得綜合工具把簡(jiǎn)單同步器綜合在同一個(gè)slice中以減少延時(shí)，提高M(jìn)TBF。

（* ASYNC_REG = “TRUE” *） （* keep = “true” *）reg system_reset_r;

（* ASYNC_REG = “TRUE” *） （* keep = “true” *）reg system_reset_r2;

綜合的結(jié)果如圖，同步化的異步復(fù)位。

2. 特殊資源的復(fù)位

使用xilinx 原語SRL16、SRL32、LUTRAM

由于是利用LUT完成的上述功能，沒有復(fù)位接口。只能依靠 GSR方法來完成，不能使用復(fù)位。因此，在為以上這些資源編寫代碼時(shí)，應(yīng)注意避免在編碼中使用復(fù)位，以此來保證綜合工具綜合出相應(yīng)的電路。

使用復(fù)位信號(hào)

沒有使用復(fù)位信號(hào)，可以看出綜合工具自動(dòng)把輸入和輸出寄存化，以滿足更好的時(shí)序。

使用DSP48E1或BRAM

使用同步復(fù)位可以允許綜合工具使用 DSP48E1或BRAM等專用資源內(nèi)部的寄存器。這樣能夠改善設(shè)計(jì)中相應(yīng)部分的器件總體使用率和性能，同時(shí)降低總體功耗。

下面以18X18的乘法器為例

同步復(fù)位

module multi_18x18（

input I_rst ，

input I_sys_clk ，

input ［17:0］I_data1 ，

input ［17:0］I_data2 ，

output reg ［35:0］ O_data

）;

reg［17:0］R_data1，R_data2;

always @（posedge I_sys_clk）

begin

if（I_rst）

begin

R_data1 《= 18‘d0;

end

else

begin

R_data1 《= I_data1;

end

end

always @（posedge I_sys_clk）

begin

if（I_rst）

begin

R_data2 《= 18’d0;

end

else

begin

R_data2 《= I_data2;

end

end

always @（posedge I_sys_clk）

begin

if（I_rst）

begin

O_data 《= 36‘d0;

end

else

begin

O_data 《= R_data1*R_data2;

end

end

endmodule

異步復(fù)位，可以看出多使用了35個(gè)FF和18個(gè)LUT