【FPGA基础】同步复位与异步复位

一、何时何处需要复位

　　参考Xilinx官方文档《UltraFast Design Methodology Guide for FPGAs and SoCs (UG949)》：

　　Xilinx器件具有专用的全局置位/复位信号 (global set/reset signal，GSR)。在器件配置结束时，此信号会对硬件中所有时序逻辑电路做初始化的赋值。如果未指定初始状态，将为时序原语分配默认值。在大多数情况下，默认值为 0。FDSE 和 FDPE 原语是例外，其默认为逻辑 1。每个寄存器在配置结束时都将处于已知状态。因此无需编写仅用于在上电时初始化器件的全局复位代码。（作者补：有时也需要软复位，可以可控的复位FPGA器件内部的逻辑电路，这时通过外部定义的引脚，或者当使用zynq系列FPGA时由PS端复位，需要专门设计复位电路）

　　Xilinx强烈建议您谨慎判断何时设计需要复位以及何时不需要复位。大多数情况下，控制电路逻辑上可能需要复位以确保正常运行，数据电路逻辑上通常不需要复位。（作者补：因为数据信号的有效与否通常是由控制信号，比如使能信号或有效信号，来决定的）

　　复位的使用限制如下：

限制复位信号线的总体扇出。
减少复位布线所需的互连数量。
简化复位路径的时序。
在大多数情况下，这样即可整体改进性能、面积和功耗。

二、同步复位与异步复位

　　参考Xilinx官方文档《UltraFast Design Methodology Guide for FPGAs and SoCs (UG949)》：

　　如需复位，Xilinx建议使用同步复位。同步复位相比于异步复位具有如下优势：

在Xilinx的器件结构中，同步复位可以直接映射至器件架构中的更多资源元件。
异步复位会影响通用逻辑结构的性能。由于所有Xilinx器件的通用寄存器均可将置位/复位编程为异步或同步，可能看似使用异步复位不会受到任何惩罚。使用全局异步复位虽然并不会增加控制集，但由于需要将此复位信号布局到所有寄存器元件，因此会增加布线复杂性。
需要更高密度或者微调布局时，同步复位会为控制集重新映射提供更多的灵活性。如果在布局更优化的 slice 中发现不兼容的复位，那么可将同步复位重新映射到寄存器的数据路径。这样即可根据需要减少布线资源利用率并增加布局密度，从而实现正确的适配并改进性能。
异步复位可能需要多周期断言（multi-cycle assertion），以确保电路正确复位并稳定。同步复位没有这个要求。
复位断言有效期间，异步复位导致 block RAM、LUTRAM、以及 SRLs的存储器内容损坏的可能性更高。
对于含异步复位（用于驱动 block RAM、LUTRAM 和 SRL 的输入管脚）的寄存器尤其如此。DSP48 和 block RAM 等部分资源仅包含同步复位以供块内的寄存器元件使用。在与这些元件关联的寄存器元件上使用异步复位时，可能无法在不影响功能的前提下直接将这些寄存器推断到这些块中。

//同步复位，敏感变量表中只有clk
always @ (posedge clk) begin
    if(rst) ......
    else ......
end

//异步复位，敏感变量表中除有clk外，还有复位信号
always @ (posedge clk or posedge rst) begin
    if(rst) ......
    else ......
end

三、异步复位的同步处理

　　“异步”的复位信号一般不建议作为FPGA逻辑的全局异步复位信号使用。（1）异步复位的“异步”很可能导致各个逻辑的复位“异步”，引起设计问题；（2）异步复位可能占用更多的FPGA布局布线资源，难以满足时序性能要求。

　　若设计中一定要做异步复位，那么推荐对异步复位信号先做“同步处理”，再做异步复位信号使用。

//对复位信号做同步处理，产生新的异步复位信号
//input i_rst_n;
reg r_rst_n;

always @ (posedge i_clk)
    r_rst_n <= i_rst_n;

四、异步复位同步撤离（异步复位同步释放）

用verilog描述如下：

always @(posedge clk or negedge arst_n) begin
    if (!arst_n)    {rst_n, rff1} <= 2'b0;
    else            {rst_n, rff1} <= {rff1, 1'b1};
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n)
        ……
    else ……
end

推荐设计中使用这种复位设计，结合了双方面的优点，很好的克服了异步复位的缺点，因为异步复位的问题主要出现在复位信号释放的时候。倘若异步复位信号有效的话，触发器就会复位，从而复位后级寄存器；但是又因为这属于时钟沿触发，当复位信号释放时，触发器的输出要延迟一个时钟周期才能恢复成1，因此使得复位信号的释放与时钟沿同步化。

这种复位方式，既可以防止后级寄存器无法满足恢复时间要求，也可以避免前级寄存器无法满足恢复时间要求，还能捕捉持续时间小于一个时钟周期的复位信号。但要注意的是，虽然复位不依赖输出，但是复位输出信号需要依赖于时钟才能撤离，即在上电复位或者门控时钟电路里，当电路中没有正常工作的时钟时，该复位电路无法工作。

五、复位概念梳理（转自公众号“无界逻辑”）

posted @ 2023-01-11 01:14 AnchorX 阅读(855) 评论(0) 编辑收藏举报

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