異步復(fù)位異步釋放會(huì)有什么問(wèn)題？FPGA異步復(fù)位為什么要同步釋放呢？

一般來(lái)說(shuō)，復(fù)位信號(hào)有效后會(huì)保持比較長(zhǎng)一段時(shí)間，確保 register 被復(fù)位完成。但是復(fù)位信號(hào)釋放時(shí)，因?yàn)槠浜?a href="http://ttokpm.com/tags/時(shí)鐘/" target="_blank">時(shí)鐘是異步的關(guān)系，我們不知道它會(huì)在什么時(shí)刻被釋放。

首先看圖1，考慮復(fù)位信號(hào)在兩個(gè)時(shí)鐘沿之間被釋放的情況。Reset 信號(hào)從 Device Pin 到 Flip-Flop 的延遲最大不能超過(guò)“Max Time Available”，如果延遲超過(guò)了這個(gè)限制，那么復(fù)位信號(hào)的釋放會(huì)進(jìn)入 Setup Time 要求的區(qū)間，導(dǎo)致 Flip-Flop 進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。當(dāng)時(shí)鐘頻率變高，時(shí)鐘周期變短，不難發(fā)現(xiàn)，要滿(mǎn)足這個(gè)要求是越來(lái)越難的。

圖1 - Reset timing diagram, deasserted between clock edges

前面我們提到過(guò)，因?yàn)槭钱惒叫盘?hào)，我們無(wú)法確保信號(hào)的釋放在一個(gè)確定的區(qū)間。如圖2所示，對(duì)于 Flip-Flop 來(lái)說(shuō)，異步信號(hào)的釋放可能在A區(qū)間，也可能在B或者C區(qū)間。假設(shè)現(xiàn)在我們的設(shè)計(jì)中包含三個(gè) Flip-Flop，分別為FF1，F(xiàn)F2 和 FF3。FF1 的復(fù)位釋放落在A區(qū)間，所以 FF1 會(huì)在復(fù)位信號(hào)釋放后的第一個(gè)時(shí)鐘沿有效，F(xiàn)F3 的復(fù)位釋放落在C區(qū)間，那么 FF3 會(huì)在復(fù)位信號(hào)釋放后的第二個(gè)時(shí)鐘沿有效，而 FF2 的復(fù)位釋放落在B區(qū)間，所以 FF2 可能會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

圖2 - Reset deasserted asynchronously to the clock

不同的 FF 因?yàn)閺?fù)位信號(hào)釋放的位置不同而在不同的時(shí)刻有效，這會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)造成影響嗎？

假如我們的設(shè)計(jì)是如圖3所示的情況，是不會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)的功能造成影響的。在復(fù)位釋放之后，任何有問(wèn)題的數(shù)據(jù)會(huì)被Pipeline排出去，經(jīng)過(guò)4個(gè)cycle之后，這個(gè)pipeline便會(huì)恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。

圖3 - Reset for a pipeline

但如果我們的設(shè)計(jì)是如圖4所示。被復(fù)位的FF是狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，那么復(fù)位釋放后很有可能狀態(tài)機(jī)會(huì)被復(fù)位到一個(gè)無(wú)效的狀態(tài)，影響正常的功能。

圖4 - Reset for a one-hot state machine

什么是同步釋放 ？

從上一部分的內(nèi)容我們發(fā)現(xiàn)，異步信號(hào)的異步釋放會(huì)導(dǎo)致 FF 在不同的時(shí)刻有效，甚至進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，從而影響設(shè)計(jì)的功能運(yùn)行。如何避免這個(gè)問(wèn)題呢？考慮同步釋放。顧名思義，同步釋放就是讓復(fù)位信號(hào)的釋放過(guò)程與時(shí)鐘同步，從而確保所有 FF 在同一時(shí)刻有效。

如圖5所示，是異步復(fù)位同步釋放的電路設(shè)計(jì)。FDP的個(gè)數(shù)決定復(fù)位信號(hào)保持的長(zhǎng)度，最少要有兩個(gè)。當(dāng)復(fù)位信號(hào)釋放后，F(xiàn)DP chain 會(huì)將接地的0逐級(jí)pipe到最后一個(gè)FDP輸出，因?yàn)樵揊DP的輸出是和Clock同步的，所以FDR的復(fù)位釋放便是和Clock 同步的。

圖5 - Async reset with sync dessertion

最后一個(gè)FDP不是仍然是異步復(fù)位異步釋放么，會(huì)不會(huì)這個(gè)FDP因?yàn)楫惒结尫胚M(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)，那么其輸出的復(fù)位信號(hào)也不確定從而導(dǎo)致復(fù)位失??？

答案是不會(huì)。FDP會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的條件是什么？一是異步釋放非常貼近時(shí)鐘沿，二是 FDP 輸入D在時(shí)鐘沿附近發(fā)生跳變。根據(jù)這個(gè)電路設(shè)計(jì)，F(xiàn)DP的輸入D時(shí)不會(huì)在異步釋放時(shí)發(fā)生跳變的，所以FDP不會(huì)進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)。

異步復(fù)位同步釋放的時(shí)序約束

異步復(fù)位同步釋放的電路我們已經(jīng)設(shè)計(jì)好了，如何進(jìn)行時(shí)序約束呢？

對(duì)于 FDR，我們可以不用考慮的。因?yàn)楣ぞ邥?huì)分析復(fù)位信號(hào)的 Recovery Time 和 Removal Time 來(lái)確保時(shí)序收斂。如果發(fā)現(xiàn) Recovey Time 或者 Removal Time 的違反，我們可能需要看一下 reset tree 或者 clock skew。一般都是 Recovey Time的違反，類(lèi)似于 Setup Time，可能是由于 reset path的延遲太長(zhǎng)導(dǎo)致。

對(duì)于 FDP，D端是同步電路，而CLR輸入端是異步信號(hào)，通過(guò)電路的設(shè)計(jì)我們已經(jīng)避免的異步信號(hào)帶來(lái)的問(wèn)題，所以為了避免 false timing violation，我們可以對(duì) FDP 的 CLR 端設(shè)置 false path。

審核編輯：劉清