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本篇內(nèi)容主要講解“FPGA怎么正確復(fù)位”,感興趣的朋友不妨來看看。本文介紹的方法操作簡單快捷,實(shí)用性強(qiáng)。下面就讓小編來帶大家學(xué)習(xí)“FPGA怎么正確復(fù)位”吧!
??看到這個問題,可能很多同學(xué)會有點(diǎn)懵,怎么可能不需要復(fù)位?其實(shí)Xilinx FPGA在系統(tǒng)上電配置時,會有一個GSR(Global Set/Reset)的信號,這個信號有以下幾個特點(diǎn):
預(yù)布線
高扇出
可靠的
這個信號可初始化所有的cell,包括所有的Flip-Flop和BRAM。
如果我們在程序里用自己生成的復(fù)位信號,也只能復(fù)位Flip-Flop。
??這個GSR信號我們可以在程序中通過實(shí)例化STARTUP
直接調(diào)用,但Xilinx并不推薦這么使用。
主要原因是FPGA會把像系統(tǒng)復(fù)位這種高扇出的信號放到高速布線資源上,這比使用GSR要快,而且更容易進(jìn)行時序分析。
??雖然有GSR,但這并不是說要避免使用復(fù)位信號,以下兩種情況就必須要加復(fù)位:
帶有反饋的模塊,比如IIR這種濾波器和狀態(tài)機(jī),當(dāng)狀態(tài)跑飛了,就需要復(fù)位一下
應(yīng)用過程中需要復(fù)位的寄存器
??這個就具體看是什么應(yīng)用了,我們公司的很多寄存器都需要在調(diào)試過程中需要經(jīng)常復(fù)位,像這種復(fù)位就是必須的了。
所以,需不需要復(fù)位完全看設(shè)計(jì)。這里多提一點(diǎn),時序收斂也是一樣,主要看設(shè)計(jì),而不是約束。
??在HDL中,如果敏感列表中不包含rst,會被綜合成同步復(fù)位:
always @ ( posedge clk )
begin
if(rst)
...
end
如果敏感列表中包含rst,則會被綜合成異步復(fù)位:
always @ ( posedge clk or posedge rst)
begin
...
end
同步復(fù)位的好處,不言而喻,有利于時序分析,降低亞穩(wěn)態(tài)的幾率,避免毛刺。
同步信號的缺點(diǎn):
復(fù)位信號有效電平持續(xù)時間必須大于時鐘周期,不然時鐘可能采不到復(fù)位
在沒有時鐘的時候無法復(fù)位
??也有很多同學(xué)會說同步復(fù)位會需要額外的資源,但對于Xilinx的FPGA,是沒有這個問題的,具體原因后面講。
對于異步復(fù)位,好處就是同步復(fù)位的反方面:脈沖寬度沒有限制,沒有時鐘也可以復(fù)位。
缺點(diǎn)就是異步電路,容易引起亞穩(wěn)態(tài),產(chǎn)生毛刺,不利于時序分析,而且不同觸發(fā)器的復(fù)位時間可能不同。下面這個圖中,在A時刻接收到復(fù)位信號拉低的FF可以在下一個時鐘上升沿時就釋放復(fù)位狀態(tài),但C時刻接收到復(fù)位信號拉低的FF則在下下個時鐘上升沿時才能釋放復(fù)位狀態(tài)。
按照White Paper上所講,99.99%的概率這種情況都不會發(fā)生,但如果你剛好碰到一次這種現(xiàn)象,那你就是那0.01%。
下面我們來舉一個例子來說明同步復(fù)位和異步復(fù)位,F(xiàn)PGA為V7,代碼如下:
module rst_demo(
input clk,
input rst1,
input rst2,
input in1,
input in2,
output reg out1,
output reg out2);
always @ ( posedge clk )
begin
if(rst1)
out1 <= 1'b0;
else
out1 <= in1;
end
always @ ( posedge clk or posedge rst2 )
begin
if(rst2)
out2 <= 1'b0;
else
out2 <= in2;
end
endmodule
綜合后的schematic如下圖:
可以看出來,同步復(fù)位和異步復(fù)位都是占用一個Storage Element,我們在之前的一篇文章中講過Storage Element可以配置為Latch,同樣的,也可以配置為FDRE和FDCE,而且在7Series手冊中也并未提到配置成FDRE或FDCE時是否會占用更多資源(比如,7Series的FPGA中,一個Slice中有8個Storage Element,如果其中一個被配置成了Latch,那有4個Storage Element是不能用的),因此在Xilinx的FPGA中,同步復(fù)位和異步復(fù)位在資源占用上,并沒有區(qū)別。
??很多處理器上的復(fù)位都是低復(fù)位,這也導(dǎo)致了很多同學(xué)在使用復(fù)位信號時也習(xí)慣使用低復(fù)位了。但從我們上一節(jié)所講中可以看出,無論是同步復(fù)位還是異步復(fù)位,復(fù)位信號都是高有效,如果采用低復(fù)位,還需要增加一個反相器。
??如果接收到其他處理器發(fā)過來的低有效復(fù)位信號,我們最好在頂層模塊中翻轉(zhuǎn)復(fù)位信號的極性,這樣做可以將反相器放入IO Logic中,不會占用FPGA內(nèi)部的邏輯資源和布線資源。
??這里多補(bǔ)充一點(diǎn),如果使用Zynq和Microblaze,則Reset模塊默認(rèn)是低復(fù)位,我們可以手動設(shè)置為高復(fù)位。
??我們對復(fù)位常用的做法是將系統(tǒng)中的每個FF都連接到某個復(fù)位信號,但這樣就造成了復(fù)位信號的高扇出,高扇出就容易導(dǎo)致時序的違規(guī)。而且全局復(fù)位占用的資源比我們想象中要高的多:
布線資源占用
其他網(wǎng)絡(luò)的布線空間就相應(yīng)減少
可能會降低系統(tǒng)性能
增加布線時間
邏輯資源占用
占用FF作為專門的復(fù)位電路
如果該復(fù)位信號還受其他信號控制,會導(dǎo)致FF的輸入前增加門電路
會增加整個設(shè)計(jì)的size
增加的邏輯資源會影響系統(tǒng)性能
增加布局布線時間
全局復(fù)位不會使用像SRL16E這種高效結(jié)構(gòu)
在LUT中SRL16E可當(dāng)作16個FF
這些Virtual FF不支持復(fù)位
增加設(shè)計(jì)的size,并降低系統(tǒng)性能
增加布局布線時間
因此,Xilinx推薦盡量使用局部復(fù)位的方式,前面我們也講到然同步復(fù)位和異步復(fù)位都多多少少有些問題,那有沒有一種方式可以結(jié)合同步復(fù)位和異步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)?當(dāng)然有,就是異步復(fù)位,同步釋放。這種方法可以將兩者結(jié)合起來,取長補(bǔ)短。如下圖所示,所謂異步復(fù)位,就是輸入的復(fù)位信號仍然是異步的,這樣可以保證復(fù)位信號能夠起效;而同步釋放是指當(dāng)復(fù)位信號釋放時,輸出的sys_rst
并不是立即變化,而且被FF延遲了一個時鐘周期,這樣讓復(fù)位和時鐘同步起來。
圖中的Verilog代碼如下:
module rst_demo(
input clk,
input rst_async,
(* keep = "true" *)
output reg rst_module1 = 0,
(* keep = "true" *)
output reg rst_module2 = 0
);
reg sys_rst;
reg rst_r;
always @(posedge clk or posedge rst_async) begin
if (rst_async) begin
rst_r <= 1'b1;
end
else begin
rst_r <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or posedge rst_async) begin
if (rst_async) begin
sys_rst <= 1'b1;
end
else begin
sys_rst <= rst_r;
end
end
always @ ( posedge clk ) begin
rst_module1 <= sys_rst;
rst_module2 <= sys_rst;
end
endmodule
綜合后的schematic如下圖:
異步復(fù)位模塊輸出的sys_rst
通過n個D觸發(fā)器后輸出給n個模塊,當(dāng)做模塊的復(fù)位信號。
到此,相信大家對“FPGA怎么正確復(fù)位”有了更深的了解,不妨來實(shí)際操作一番吧!這里是億速云網(wǎng)站,更多相關(guān)內(nèi)容可以進(jìn)入相關(guān)頻道進(jìn)行查詢,關(guān)注我們,繼續(xù)學(xué)習(xí)!
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