摘 要： 復(fù)位是FPGA設(shè)計中一個基本而又重要的問題，如果處理不當(dāng)，不僅可能導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的問題，而且會降低設(shè)計的資源利用率。分析了不同的復(fù)位方式對系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)和資源利用率的影響，并對不同的目標(biāo)器件中復(fù)位信號的使用給出了建議。
關(guān)鍵詞： 復(fù)位；亞穩(wěn)態(tài)；資源利用率
在FPGA設(shè)計中，復(fù)位信號扮演著重要的角色，設(shè)計人員通常都使用一個外部輸入的全局復(fù)位信號在上電初期對系統(tǒng)進(jìn)行初始化[1-2]。通常，F(xiàn)PGA中的全局復(fù)位信號一般由3種途徑獲得[3]：(1)用一個復(fù)位按鈕產(chǎn)生一個復(fù)位信號接到FPGA的全局復(fù)位管腳上,它的速度非常慢，而且存在抖動的問題;(2)上電時由電源芯片產(chǎn)生,如TI公司TPS76x系列的電源系統(tǒng)一般都可以產(chǎn)生復(fù)位信號，供主芯片上電復(fù)位使用；(3)由微處理器產(chǎn)生復(fù)位脈沖，這個是設(shè)計人員可以方便使用程序控制的。
全局復(fù)位管腳類似于其他任何輸入管腳，通常都是異步的，設(shè)計人員可以在FPGA中將其當(dāng)作異步或同步復(fù)位信號來使用， 但一個最佳的復(fù)位結(jié)構(gòu)卻可以對FPGA的亞穩(wěn)態(tài)和資源利用率產(chǎn)生很大的影響。
1 復(fù)位與亞穩(wěn)態(tài)
1.1 異步復(fù)位
在大多數(shù)FPGA設(shè)計中，外部輸入的全局復(fù)位信號被直接當(dāng)作異步復(fù)位來使用。這種用法在可控的仿真環(huán)境下工作正常，然而在真實的系統(tǒng)中卻常常會出現(xiàn)不規(guī)律的錯誤，其原因在于設(shè)計人員常常低估了真實系統(tǒng)中復(fù)位信號的“釋放”問題，這個問題可能導(dǎo)致系統(tǒng)中的觸發(fā)器進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。
常用的異步復(fù)位電路Verilog描述如下：
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) q <= 1’b0;
else q <= d;
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復(fù)位電路模型如圖1所示。圖2為異步復(fù)位電路的復(fù)位時序圖。
如果異步復(fù)位信號的撤銷時間在Trecovery(恢復(fù)時間)和Tremoval(移除時間)之內(nèi)，則造成亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，觸發(fā)器的輸出在時鐘邊沿的Tco后會產(chǎn)生振蕩，最終穩(wěn)定到“0”或者“1”，這就有可能造成復(fù)位失敗。
1.2 同步復(fù)位
由于全局復(fù)位信號通常是異步的，因此，有些設(shè)計人員采用同步復(fù)位電路對FPGA進(jìn)行復(fù)位，并且絕大多數(shù)文獻(xiàn)資料認(rèn)為同步復(fù)位電路都不會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，其實不然，同步電路也會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，只是幾率小于異步復(fù)位電路。
常用的同步復(fù)位電路Verilog描述如下：
always @ (posedge clk)
begin
if(!rst_n) q <= 1’b0;
elseq <= d;
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復(fù)位電路模型如圖3所示,其復(fù)位時序圖如圖4所示。
當(dāng)輸入端d為高電平且復(fù)位信號的撤銷時間在clk的Tsu（建立時間）和Th（保持時間）內(nèi)時，亞穩(wěn)態(tài)就隨之產(chǎn)生了。如圖4所示，當(dāng)復(fù)位信號的撤銷時間在clk的Tsu和Th內(nèi)時，輸入數(shù)據(jù)為“1”，通過和輸入數(shù)據(jù)相“與”后產(chǎn)生的信號d’也在clk的Tsu和Th內(nèi)，因此，勢必會造成類似異步信號采集的亞穩(wěn)態(tài)情況。
1.3 異步復(fù)位、同步釋放
為了解決單純的異步復(fù)位或同步復(fù)位所帶來的亞穩(wěn)態(tài)問題，一種常用的處理方式是異步復(fù)位、同步釋放。其Verilog描述如下：
always @ (posedge clk or negedge rst_n_asyn)
begin
if (!rst_n_asyn)
begin
temp <= 1′b0;
rst_n_syn <= 1′b0;
end
else
begin
temp <= 1′b1;
rst_n_syn <= temp;
end
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復(fù)位、同步釋放電路模型如圖5所示。
由圖5可以看出，新產(chǎn)生的復(fù)位信號rst_n_syn是一個同步化了的異步復(fù)位信號，其復(fù)位時刻的到來不受時鐘信號的影響，同時其復(fù)位釋放的時刻卻與時鐘信號同步。這種復(fù)位方式很好地將異步復(fù)位和同步復(fù)位的優(yōu)點結(jié)合起來，設(shè)計人員在開發(fā)FPGA工程時只需要在每個時鐘域內(nèi)用這種異步復(fù)位、同步釋放的復(fù)位結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一個局部的復(fù)位信號rst_n_syn，并用它來對該時鐘域內(nèi)的所有模塊進(jìn)行復(fù)位,便可以有效地降低亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的幾率。
2 復(fù)位與資源利用率
在不同的目標(biāo)器件中，寄存器對復(fù)位的異步或同步、高電平或低電平有不同的要求和實現(xiàn)，因此，不同的復(fù)位方式對FPGA的資源利用率也將產(chǎn)生很大的影響。
2.1 Altera公司的FPGA
在Altera公司的FGPA中，每個寄存器都有一個異步的清零輸入端[5]。高/低電平的異步/同步復(fù)位電路在Quartus Ⅱ中綜合出的電路模型如圖6~圖9所示。
由圖6~圖9所示的電路模型可以看出，在Altera公司的FPGA中,不論是高電平還是低電平的異步復(fù)位，直接使用了寄存器的CLR端口；然而如果是同步復(fù)位，綜合后會在其寄存器的數(shù)據(jù)路徑上增加一個數(shù)據(jù)選擇器，將復(fù)位信號作為輸入邏輯的使能信號，這樣不僅增加了設(shè)計的資源占用量，而且增加了數(shù)據(jù)信號的路徑時延。
2.2 Xilinx公司的FPGA
在Xilinx公司的FGPA中，每個寄存器都有一個專用的清零輸入端[6]。高/低電平的異步/同步復(fù)位電路在ISE 12.4中綜合出的電路模型如圖10~圖13所示。
由圖10~圖13所示的電路模型可以看出，在Xilinx的FPGA中，不論是同步的還是異步的高電平復(fù)位，直接使用了寄存器的專用清零輸入端；然而如果是低電平復(fù)位，綜合后會在復(fù)位路徑上增加一個反相器，這樣不僅增加了設(shè)計的資源占用量，而且增加了復(fù)位信號的路徑時延。
從以上分析可以看出， 在FPGA設(shè)計中，通過異步復(fù)位、同步釋放的復(fù)位結(jié)構(gòu)將外部輸入的全局復(fù)位信號進(jìn)行同步化，可以降低系統(tǒng)中亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的幾率，增加系統(tǒng)復(fù)位的可靠性； 同時,在Altera公司的FPGA中對寄存器使用高電平或低電平的異步復(fù)位、在Xilinx公司的FPGA中對寄存器使用異步或同步的高電平復(fù)位，均可以降低設(shè)計的資源占用量，提高資源利用率。因此，在FPGA設(shè)計時，設(shè)計人員應(yīng)該根據(jù)不同的應(yīng)用場景和不同的目標(biāo)器件區(qū)別使用復(fù)位方式，以取得最佳的復(fù)位效果。
參考文獻(xiàn)
[1] 周偉,杜玉曉，楊其宇,等.FPGA跨時鐘域亞穩(wěn)態(tài)研究[J].
電子世界, 2012(3):87-89.
[2] 黃隸凡,鄭學(xué)仁.FPGA設(shè)計中的亞穩(wěn)態(tài)研究[J]. 微電子
學(xué), 2011,41(2):265-268,273.
[3] CHAPMAN K. Get smart about reset think local, not
global[Z]. Xilinx FPGAs, 2008.
[4] 汪路元.FPGA設(shè)計中的亞穩(wěn)態(tài)及其緩解措施[J].電子技
術(shù)應(yīng)用，2012,38(8):13-15.
[5] Altera. Cyclone IV device handbook[Z].2013.
[6] Xilinx. Virtex-5 family overview[Z].2009.