寄存器的作用以及復(fù)位

1. 寄存器的作用

1）時(shí)序邏輯存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。例如，一個(gè)計(jì)數(shù)器，每個(gè)周期要加1，那它就要使用寄存器實(shí)現(xiàn)。純組合邏輯是實(shí)現(xiàn)不了的。

2）CPU和硬件協(xié)調(diào)工作，提高設(shè)計(jì)的靈活度。例如，在休眠時(shí)，我們可能會(huì)把某個(gè)模塊的時(shí)鐘關(guān)掉，然后在正常工作時(shí)，再將時(shí)鐘打開。這個(gè)就可以通過CPU來實(shí)現(xiàn)。

2.基地址/偏移地址

幾乎我們?cè)O(shè)計(jì)的每個(gè)模塊都會(huì)有寄存器，而它們的寄存器或多或少能被CPU訪問到。但CPU的接口通常只有一組總線去訪問這些模塊，所以設(shè)計(jì)上都會(huì)把CPU和各個(gè)模塊掛到總線上。這樣CPU作為Master就能夠訪問到所有的模塊了。

那CPU的地址是怎么映射到一個(gè)具體的寄存器上的呢？這就是涉及到基地址和偏移地址的概念。首先，我們?cè)诙軜?gòu)時(shí)，會(huì)做一張地址映射表格。我們就以下圖為例，假設(shè)給每個(gè)外設(shè)接口都分配了32KB的地址空間，32KB占用的是15bit。所以32bit的CPU地址的高17位就是基地址，而低15位便是偏移地址。當(dāng)CPU發(fā)一個(gè)0x46018000的地址下來，那么硬件會(huì)自動(dòng)根據(jù)它的基地址判斷它是去訪問I2C的。然后根據(jù)偏移地址便可以知道是訪問I2C的哪一個(gè)寄存器了。

3. 寄存器的復(fù)位

• ** 需不需要復(fù)位**

如上圖，就面積而言，同樣的驅(qū)動(dòng)等級(jí)下，帶復(fù)位的寄存器要比不帶復(fù)位的寄存器大。所以在實(shí)際中，為了節(jié)省面積，有些寄存器是可以不加復(fù)位的。那么，什么樣的寄存器不需要復(fù)位呢？答案很簡(jiǎn)單：如果一個(gè)寄存器的值是在別的信號(hào)的控制下更新，且只有在更新后才會(huì)被使用，那么這個(gè)寄存器就可以不用復(fù)位。例如流水線的數(shù)據(jù)通路；又例如總線設(shè)計(jì)中的部分寄存器。我們以AXI總線的地址通道為例，由于addr和size這些控制信號(hào)是在valid和ready的控制下更新的。換句話說，在時(shí)鐘沿下，只要valid和ready同時(shí)為高，addr和size就會(huì)馬上更新；而valid和ready只要有一個(gè)不為高時(shí)，總線都不會(huì)去使用addr和size的值（此時(shí)它們的值是don’t care的）。在這個(gè)前提下，addr和size是可以不用復(fù)位的；但是valid和ready就一定要復(fù)位。參考代碼如下：

不過話說回來，寄存器不加復(fù)位的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)比較大，所以建議在設(shè)計(jì)初期都加上復(fù)位，后面要摳面積時(shí)，再回來修改。

• ** 同步復(fù)位or異步復(fù)位**

  在電路結(jié)構(gòu)上，同步復(fù)位是要比異步復(fù)位多一個(gè)與門的。如果采用同步復(fù)位設(shè)計(jì)，那么就相當(dāng)于每個(gè)寄存器都會(huì)多一個(gè)與門，這無疑會(huì)撐大面積。所以現(xiàn)在的設(shè)計(jì)基本上都是采用異步復(fù)位，然后在前面加個(gè)異步復(fù)位同步釋放電路。

  而由于異步復(fù)位同步釋放是要在時(shí)鐘下對(duì)復(fù)位打兩拍，所以在一些源同步設(shè)計(jì)中，我們要特別注意的一個(gè)問題是：時(shí)序上是否允許你做同步，例如在SPI slave的設(shè)計(jì)中，假設(shè)我們使用CS進(jìn)行復(fù)位。由于時(shí)鐘是master發(fā)送過來的，每一個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)時(shí)鐘。這時(shí)就不能用master發(fā)送過來的時(shí)鐘做同步了。

• ** 復(fù)位源**

一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)中，一個(gè)寄存器可能會(huì)有很多復(fù)位源的。例如，上電復(fù)位，軟復(fù)位，watchdog復(fù)位等等。因此，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們要先根據(jù)功能和應(yīng)用場(chǎng)景將寄存器分到不同的復(fù)位域。并畫出具體的復(fù)位電路圖，然后對(duì)著電路圖來coding。

• ** 復(fù)位原因記錄寄存器**

當(dāng)復(fù)位源很復(fù)雜時(shí)，建議在設(shè)計(jì)中加上一個(gè)寄存器。用于記錄上次復(fù)位的原因，方便debug。如下圖，不同的復(fù)位，該寄存器會(huì)被復(fù)位成不一樣的值。另外，還可以加上一個(gè)計(jì)數(shù)器，用于記錄復(fù)位的次數(shù)等。

4.寄存器的時(shí)鐘域

這里的時(shí)鐘域指的是，配置寄存器的時(shí)鐘域和使用寄存器的時(shí)鐘域。如果它們是同一個(gè)時(shí)鐘域，那就沒什么好顧慮的。但是如果它們屬于異步時(shí)鐘域。那這時(shí)候就要對(duì)寄存器做靜態(tài)和動(dòng)態(tài)甚至更細(xì)的劃分。所謂靜態(tài)寄存器是指，在使用的過程中，寄存器是不會(huì)被改變的；而在改變的過程中一定不能被使用。舉個(gè)例子，假設(shè)某個(gè)模塊的時(shí)鐘是通過分頻獲得的，而分頻系數(shù)可能在上電初始化后就不會(huì)再去修改，而這個(gè)模塊只會(huì)在初始化完成之后才會(huì)啟動(dòng)工作。那么這個(gè)分頻系數(shù)寄存器就可以當(dāng)作是靜態(tài)的。否則，這個(gè)寄存器就是動(dòng)態(tài)的。

在跨時(shí)鐘域處理的場(chǎng)景中，區(qū)分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)寄存器尤為重要。例如，假設(shè)一個(gè)寄存器是在clka下配置的，卻用于clkb下。這時(shí)，如果是靜態(tài)寄存器，那就不需要做跨時(shí)鐘域處理。因?yàn)椴还躢lkb在哪個(gè)時(shí)刻采樣，都只能采到固定值；而動(dòng)態(tài)寄存器可能在采樣時(shí)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)。當(dāng)然，也有人為了保險(xiǎn)起見，不管是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)寄存器，都統(tǒng)一做跨時(shí)鐘域處理了。

5.訪問權(quán)限

寄存器的訪問權(quán)限類型多種多樣，包括但不局限于下圖。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中要考慮的是，哪些寄存器是CPU能否訪問的，哪些寄存器是硬件能夠訪問的。尤其是在安全相關(guān)的設(shè)計(jì)中（例如安全boot），要特別重視這訪問權(quán)限。因?yàn)镃PU能讀到的東西，隨時(shí)都會(huì)被別人看到。

訪問權(quán)限在寄存器描述文檔中是必不可缺的。下面給出一個(gè)參考格式。

6.Byte mask

CPU訪問寄存器的數(shù)據(jù)總線要么是32bit，要么是64bit。也就是說數(shù)據(jù)總線會(huì)是多byte的。如果沒有byte mask，那么CPU在修改某一byte時(shí)，要做讀改寫的操作。所以通常在設(shè)計(jì)中，我們會(huì)給寄存器加上byte mask的屬性。例如，寄存器是32bit的，那么可以通過4bit的byte_en來控制寫。

7.多路訪問源仲裁

一個(gè)寄存器有多個(gè)訪問源的場(chǎng)景很常見。例如，CPU和其它硬件都可以訪問；又例如多個(gè)CPU可以訪問。我們舉個(gè)例子，假設(shè)模塊A和模塊B都有一個(gè)SPI控制器，但是它們共用一組IO，并使用一個(gè)寄存器spi_switch來選擇是模塊A還是模塊B的控制器接到IO中。而好死不死spi_switch又正好能夠被兩個(gè)CPU配置。那么，假設(shè)CPU0把IO交給了模塊A，如果模塊A在使用SPI傳輸?shù)倪^程中，CPU1把IO切到了模塊B，這就出問題了。那么只是在寄存器spi_switch的設(shè)計(jì)上下功夫，該如何設(shè)計(jì)才能避免上面的問題呢？答案是有的，但我要賣個(gè)關(guān)子，你們自己想去吧。

8.保留寄存器

在實(shí)際項(xiàng)目中，固件的完成時(shí)間往往要落后于RTL設(shè)計(jì)，你總會(huì)遇到tapeout了，固件還在設(shè)計(jì)的情況。也就是說，我們?cè)谠O(shè)計(jì)RTL時(shí)，有可能固件的一些功能或架構(gòu)還不夠明確。所以我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)，可視情況，預(yù)留多一些寄存器，這些寄存器在RTL設(shè)計(jì)時(shí)還沒有明確的功能，因此，我管它們叫做保留寄存器（reserved寄存器），如下圖。萬一固件哪天需要使用寄存器來做標(biāo)記，直接使用這些保留寄存器即可。

9.寄存器和RAM之間的選擇

項(xiàng)目中使用到memory做緩存是家常便飯。而從實(shí)現(xiàn)的角度來看，這些memory可通過寄存器來實(shí)現(xiàn)，也可以通過調(diào)用RAM來實(shí)現(xiàn)。選擇寄存器和RAM需要考慮三點(diǎn)：

1）面積。一般小的memory可以使用寄存器搭；而較大的memory使用RAM搭比較換算。兩者選擇的邊界很難分清，需要根據(jù)具體工藝來評(píng)估。

2）因?yàn)榧拇嫫鞯淖x取是單拍就出來了，而RAM的讀取要等下一拍才出來。所以在做選擇時(shí)，我們要先看看是否允許數(shù)據(jù)下一拍出來。

3）RAM的讀latency很大，它有可能是項(xiàng)目timing的瓶頸。尤其是RAM比較大，或者RAM的訪問源比較多的時(shí)候。在評(píng)估時(shí)，可是打開RAM的library，來查看具體的latency。

10.默認(rèn)值

設(shè)置寄存器的默認(rèn)值也是一門藝術(shù)。這里列幾個(gè)我暫時(shí)還記得的規(guī)則：

1） IO驅(qū)動(dòng)的默認(rèn)值不要給太小。

2） MCU復(fù)位自己的軟復(fù)位寄存器的默認(rèn)值不能有效。否則，復(fù)位狀態(tài)下，MCU根本就動(dòng)不起來，更別說去釋放軟復(fù)位了。

3）時(shí)鐘gate相關(guān)寄存器要防止死鎖。舉個(gè)極端的例子，假設(shè)MCU的時(shí)鐘gate是通過MCU自己配置寄存器來控制的。那么這個(gè)gate寄存器的默認(rèn)值就是要開啟的。否則復(fù)位后，時(shí)鐘會(huì)被gate住，MCU根本就動(dòng)不起來。

11.寄存器復(fù)用

還是為了那該死的面積。舉個(gè)例子，假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)是半雙工的，也就是說同一時(shí)間只能讀或者只能寫。那么讀跟寫是可以共用一部分寄存器的。

12.寄存器訪問接口

比較常見的寄存器接口有三個(gè)：

1.APB總線

2.AHB總線

3.用戶自定義的總線

具體的設(shè)計(jì)實(shí)例，去知識(shí)星球看I2C控制器的代碼吧。

13.寄存器文檔和代碼自動(dòng)生成

手敲寄存器代碼，MAS文檔和代碼分開維護(hù)都是蛋疼的事情。所以很多公司都只會(huì)維護(hù)一張excel表格，并在excel表格的寄存上生成MAS和代碼，甚至是C語言頭文件和寄存器RALF文件。這個(gè)具體的腳本還在開發(fā)中，后面會(huì)更新到知識(shí)星球