復(fù)位信號(hào)如何影響FPGA資源利用率

在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們傳統(tǒng)上都認(rèn)為，應(yīng)該對(duì)所有的觸發(fā)器設(shè)置一個(gè)主復(fù)位，這樣將大大方便后續(xù)的測(cè)試工作。所以，在所有的程序中，我往往都在端口定義中使用同一個(gè)reset信號(hào)（其實(shí)好多時(shí)候根本就沒有用到）。所以，當(dāng)看到文檔中提到，“不建議在FPGA設(shè)計(jì)中使用全局復(fù)位，或者說應(yīng)該努力避免這種設(shè)計(jì)方式”時(shí)，許多設(shè)計(jì)人員（包括我）都會(huì)覺得非常難以理解，這種設(shè)計(jì)思想跟我們通常的認(rèn)識(shí)是相沖突的！
繼續(xù)讀下去，不知不覺發(fā)現(xiàn)這個(gè)白皮書講的還真是在理。接下來把我的個(gè)人理解講述一下。

1.全局復(fù)位是不是關(guān)鍵時(shí)序？
全局復(fù)位信號(hào)一般由以下三種途徑獲得：
1. 第一種，最常見的，就是用一個(gè)復(fù)位按鈕產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)接到FPGA的全局復(fù)位管腳上。它的速度顯然是非常慢的（因?yàn)槭?a href="http://ttokpm.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械結(jié)構(gòu)），而且存在抖動(dòng)的問題。
2. 第二種是上電的時(shí)候由電源芯片產(chǎn)生的，如TI的TPS76x系列的電源系統(tǒng)一般都可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，供主芯片上電復(fù)位使用。
3. 第三種是由控制芯片產(chǎn)生的復(fù)位脈沖，這個(gè)是我們?cè)O(shè)計(jì)人員可以方便使用程序控制的。
在這些情況下，復(fù)位信號(hào)的變化與FGPA芯片內(nèi)部信號(hào)相比看起來是及其緩慢的，例如，復(fù)位按鈕產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)的周期至少是在毫秒級(jí)別的，而我們FPGA內(nèi)部信號(hào)往往是納米或者微秒級(jí)別的。復(fù)位信號(hào)的頻率是如此之低，以至于我們?nèi)蝿?wù)它不屬于關(guān)鍵時(shí)序（not timing-critical）。即使是對(duì)此類信號(hào)進(jìn)行時(shí)序約束，約束的周期也是非常長(zhǎng)的。全局復(fù)位脈沖的周期遠(yuǎn)大于時(shí)鐘周期，所以傳統(tǒng)意義上假設(shè)FPGA芯片中所有的觸發(fā)器都能夠得到有效的復(fù)位。
然而，隨著FPGA性能和工作頻率的快速提高，這種假設(shè)開始不再成立。此時(shí)，全局復(fù)位信號(hào)的產(chǎn)生開始成為時(shí)序關(guān)鍵的問題。

在Xilinx 的FPGA器件中，全局的復(fù)位/置位信號(hào)（Global Set/Reset (GSR)）（可以通過全局復(fù)位管腳引入）是幾乎絕對(duì)可靠的，因?yàn)樗切酒瑑?nèi)部的信號(hào)。如果所有的觸發(fā)器都使用這一全局復(fù)位信號(hào)，則GSR信號(hào)將形成一個(gè)高扇出的網(wǎng)絡(luò)（有興趣的朋友可以在綜合工具中查看）。雖然在啟動(dòng)順序中，它可以與一個(gè)用戶自定義的時(shí)鐘進(jìn)行同步，但是想讓它與設(shè)計(jì)中的所有時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步是不可能的；比如，一個(gè)Xilinx FPGA中可能含有多個(gè)DLL/DCM/PLL時(shí)鐘處理模塊，每個(gè)模塊又可以產(chǎn)生多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，在各個(gè)模塊內(nèi)部進(jìn)行時(shí)鐘信號(hào)的同步是可行的，然而想讓所有時(shí)鐘信號(hào)同步是完全不可行的——從DCM的分布上就可以看出來：中間相隔的長(zhǎng)距離布線對(duì)高頻時(shí)鐘信號(hào)的延時(shí)顯著增大，進(jìn)行同步自然無法做到。于是，在時(shí)鐘信號(hào)頻率越來越高的情況下，全局復(fù)位信號(hào)便開始成為時(shí)序關(guān)鍵。解釋如下：

圖1被兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的邊沿截?cái)嗟膹?fù)位信號(hào)的時(shí)序圖

圖1 給出了被兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的邊沿截?cái)嗟膹?fù)位信號(hào)的時(shí)序圖，第一行是時(shí)鐘信號(hào)，第二行是器件復(fù)位管腳上的信號(hào)，第三行是到達(dá)觸發(fā)器復(fù)位端的復(fù)位信號(hào)。為了使觸發(fā)器進(jìn)行有效的復(fù)位，在有效的時(shí)鐘邊沿到來之前，復(fù)位信號(hào)應(yīng)該被保持至少一個(gè)建立時(shí)間（時(shí)鐘信號(hào)的簡(jiǎn)歷時(shí)間）。可以看出，時(shí)鐘信號(hào)的頻率越高，用來分配復(fù)位信號(hào)的可用時(shí)間就越少。而且考慮到全局復(fù)位信號(hào)往往是高扇出的的網(wǎng)絡(luò)，想在這個(gè)龐大的網(wǎng)絡(luò)中滿足苛刻的時(shí)序要求是非常困難的。在經(jīng)常使用的異步復(fù)位的設(shè)計(jì)中，更沒有辦法來保證所有的觸發(fā)器都可以在同一個(gè)時(shí)鐘邊沿被釋放，即使存在用來分配復(fù)位信號(hào)的可用時(shí)間。這一點(diǎn)從圖2中可以看出。

圖2 異步設(shè)計(jì)中復(fù)位信號(hào)的時(shí)序圖

圖2給出了異步設(shè)計(jì)中復(fù)位信號(hào)的時(shí)序圖?？梢钥闯觯贏時(shí)刻產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)，將在第一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的有效邊沿產(chǎn)生，而在C時(shí)刻產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)將在第二個(gè)有效的時(shí)鐘信號(hào)邊沿產(chǎn)生。在B時(shí)刻，觸發(fā)器很難有效定義哪一個(gè)復(fù)位信號(hào)是有效的，這將導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。
隨著時(shí)鐘信號(hào)頻率的增高和器件規(guī)模增大帶來的潛在的時(shí)鐘偏移，在同一個(gè)時(shí)鐘邊沿對(duì)所有的觸發(fā)器進(jìn)行是否已經(jīng)幾乎是不可能的了。圖3顯示了高時(shí)鐘頻率下的復(fù)位時(shí)序圖。

圖3 高時(shí)鐘頻率下的復(fù)位時(shí)序

全局復(fù)位對(duì)時(shí)序的要求真的很關(guān)鍵嗎？
好消息是，在絕大多數(shù)設(shè)計(jì)中（白皮書說是超過99.99%？應(yīng)該是老外寫文檔的習(xí)慣吧），復(fù)位信號(hào)的時(shí)序是無關(guān)緊要的——通常情況下，大部分電路都能夠正常工作。然而，只要你曾經(jīng)遇到過復(fù)位信號(hào)不正常導(dǎo)致電路無法正確工作的情況，那么可以說你“幸運(yùn)”地遇到了那0.01%的復(fù)位信號(hào)異常的情況。圖4給出了一個(gè)流水線復(fù)位的情況。

圖4 流水線的復(fù)位

在流水線中，假如數(shù)據(jù)都是完全順序處理的（即不存在反饋、環(huán)路等情況），則主復(fù)位信號(hào)是何時(shí)產(chǎn)生的是完全無關(guān)緊要的。經(jīng)過幾個(gè)周期的流水線操作，任何不正常的數(shù)據(jù)狀態(tài)都將被從系統(tǒng)中“沖出”流水線，這是很容易理解的。事實(shí)上，在正常的流水線操作中，我們也很少會(huì)用到復(fù)位操作的，因?yàn)檫@是完全沒有必要的。即使是在仿真環(huán)境中，我們也往往會(huì)在測(cè)試程序中對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行配置，從而將所有的未知狀態(tài)從系統(tǒng)中清除出去，使得系統(tǒng)中的所有輸入都變?yōu)橛行У臄?shù)據(jù)。
然而，在圖5所示的獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)的情況下，復(fù)位信號(hào)的時(shí)序卻的的確確成為了系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵因素之一。

圖5 獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)的復(fù)位

圖5 的例子中演示了一個(gè)簡(jiǎn)單的的獨(dú)熱碼狀態(tài)機(jī)的復(fù)位示意圖。圖中清晰地顯示了復(fù)位失敗的潛在可能性。如果第一個(gè)含有獨(dú)熱碼的觸發(fā)器比第二個(gè)觸發(fā)器提前釋放一個(gè)時(shí)鐘周期，則其含有的獨(dú)熱碼將丟失，整個(gè)狀態(tài)機(jī)將永遠(yuǎn)進(jìn)入無效狀態(tài)（cold）。減小這種情況發(fā)生的概率往往可以通過使用相鄰的觸發(fā)器構(gòu)成狀態(tài)機(jī)來解決（使用本地復(fù)位網(wǎng)絡(luò)，則信號(hào)的失真度較低），但前提是時(shí)序約束中的建立時(shí)間必須滿足。此外，如果所有的觸發(fā)器無法在同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的有效邊沿被釋放，，則一個(gè)已經(jīng)編碼的狀態(tài)機(jī)可能會(huì)調(diào)變進(jìn)入未知狀態(tài)，包括非法狀態(tài)，造成電路無法正確工作。所以，在包含反饋通路的電路設(shè)計(jì)者，需要對(duì)復(fù)位信號(hào)的時(shí)序要求進(jìn)行仔細(xì)考慮。
事實(shí)上，不存在反饋通路的電路是完全不需要使用復(fù)位信號(hào)的。例如，在數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用中，有限脈沖響應(yīng)濾波器(FIR)就不存在反饋通路：只有在有效數(shù)據(jù)填滿所有節(jié)拍時(shí)，濾波器才會(huì)輸出采樣值，否則不輸出任何數(shù)據(jù)；所以對(duì)節(jié)拍寄存器進(jìn)行復(fù)位是毫無意義的。然而，在有限脈沖響應(yīng)濾波器(IIR)中，存在反饋通路，如果在一個(gè)不可靠的復(fù)位信號(hào)下對(duì)節(jié)拍寄存器進(jìn)行復(fù)位并產(chǎn)生一個(gè)偽信號(hào)輸出，則濾波器輸出會(huì)受到顯著的影響。最壞的情況下，偽信號(hào)帶來的不穩(wěn)定將導(dǎo)致整個(gè)濾波器陷入崩潰狀態(tài)。

如何自動(dòng)覆蓋99.99%的情況

圖6 FPGA配置

當(dāng)一個(gè)Xilinx的FPGA芯片被重新配置時(shí)，每一個(gè)單元都將被初始化，如圖6所示。在某種意義上講，這是一個(gè)上電之后的“終極的”全局復(fù)位操作，因?yàn)樗粌H僅是對(duì)所有的觸發(fā)器進(jìn)行了復(fù)位操作，還初始化了所有的RAM單元。隨著Xilinx FPGA芯片內(nèi)部的嵌入式RAM資源越來越多，這種“終極的”全局復(fù)位操作越來越有意義。對(duì)所有的RAM單元進(jìn)行預(yù)定義，在軟件仿真和實(shí)際操作中都是非常有幫助的，因?yàn)檫@樣避免了在上電時(shí)采用復(fù)雜的啟動(dòng)順序來清除存儲(chǔ)單元內(nèi)容的操作。
隨著Xilinx的FPGA芯片越來越多的嵌入處理器內(nèi)核，比如MicroBlaze軟核、ARM和PowerPC硬核等，這種特性使得所有的程序和數(shù)據(jù)空間在處理器內(nèi)核執(zhí)行第一條指令之前都已經(jīng)被預(yù)定義，則原來那種靠燒寫昂貴的可編程資源來僅僅復(fù)位觸發(fā)器的操作變得毫無意義了。開發(fā)過程中所使用的仿真工具也應(yīng)當(dāng)具有模擬此操作的能力（即我們通常所說的“上電復(fù)位”），這樣在后續(xù)的設(shè)計(jì)中就可以避免使用可有可無的復(fù)位操作了。
其余0.01% 情況的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則
最重要的事情是使用某些準(zhǔn)則來處理設(shè)計(jì)中的復(fù)位操作，并且這些準(zhǔn)則在設(shè)計(jì)審查階段就應(yīng)該被完全考慮到?？梢允褂靡粋€(gè)局部的高性能的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)來控制僅僅需要局部復(fù)位的觸發(fā)器。圖7給出了一個(gè)這種局部復(fù)位的示意圖。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于，它所提供的復(fù)位效果與外接全局復(fù)位信號(hào)的效果是一致的。

圖7 局部復(fù)位示意圖

在器件配置或者異步復(fù)位時(shí)，鏈中的所有觸發(fā)器都被預(yù)設(shè)為1。幾乎在這同時(shí)，鏈中的最后一個(gè)觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)局部復(fù)位網(wǎng)絡(luò)并向其發(fā)送一個(gè)有效復(fù)位信號(hào)。隨著全局復(fù)位/置位信號(hào)或異步復(fù)位信號(hào)的釋放，整個(gè)移位寄存器鏈開始在每個(gè)時(shí)鐘周期被填充為0。
鏈中觸發(fā)器的數(shù)目決定了局部復(fù)位網(wǎng)絡(luò)所需要的復(fù)位脈沖的最小寬度。最后的結(jié)果是，鏈中最后一個(gè)觸發(fā)器從高跳變到低，而局部復(fù)位信號(hào)的釋放與時(shí)鐘周期同步。被復(fù)位的觸發(fā)器可以采用同步置位（synchronous set (FDS)）或者同步復(fù)位（synchronous reset (FDR)），即構(gòu)成了完整的同步設(shè)計(jì)，而接下來的時(shí)序規(guī)范和分析也將容易得多。

復(fù)位操作消耗的資源遠(yuǎn)比你想象的要多
在FPGA設(shè)計(jì)中，我們往往習(xí)慣在HDL文件的端口聲明中加入一個(gè)reset信號(hào)，卻忽略了它所帶來的資源消耗。仔細(xì)分析一下，竟會(huì)有如此之多的影響：
? 復(fù)位網(wǎng)絡(luò)需要占用布線資源
導(dǎo)致其余信號(hào)的布線信號(hào)受到影響，降低了它們布線的自由度。
增加的布線網(wǎng)絡(luò)往往需要使用更高速率的芯片。
復(fù)位網(wǎng)絡(luò)占用大量布線資源，使得Place&Route的時(shí)間大大增加，如果電腦是老爺機(jī)則讓人十分痛苦。
? 復(fù)位信號(hào)需要占用大量的邏輯資源
復(fù)位信號(hào)需要使用觸發(fā)器的專用復(fù)位管腳。
可操作的復(fù)位信號(hào)往往導(dǎo)致D觸發(fā)器的輸入前增加額外的門操作或?qū)Ｓ玫膹?fù)位信號(hào)輸入。
增大整個(gè)設(shè)計(jì) 的尺寸。
額外的邏輯消耗降低了系統(tǒng)的性能。
? 阻止了使用高效特征，如Xilinx FPGA特有的SRL16E 移位寄存器。
SRL16E可以在一個(gè)LUT中實(shí)現(xiàn)多達(dá)16個(gè)觸發(fā)器。
SRL16E 實(shí)現(xiàn)的虛擬觸發(fā)器不支持復(fù)位操作，這使得HDL設(shè)計(jì)中帶有復(fù)位操作時(shí)，綜合工具無法有效利用SRL16E 資源。有可能增加多達(dá)16倍的資源消耗。
在Xilinx網(wǎng)站的白皮書 WP275 .pdf:《Get your Priorities Right - Make your Design Up to 50% Smaller》中提到了復(fù)位信號(hào)是如何影響FPGA資源利用率的，有興趣的朋友可以去讀一下。

? ? ? 總結(jié)一下，Xilinx FPGA設(shè)計(jì)中一般不需要插入全局復(fù)位網(wǎng)絡(luò)，這樣我們?cè)趯懗绦虻臅r(shí)候就不必每個(gè)模塊都加入reset端口了，既方便了程序書寫，又減小了編譯時(shí)間，還減少了資源占用。絕大多數(shù)情況下，重配置或者上電過程中，所有的觸發(fā)器和RAM等都可以被預(yù)設(shè)初始狀態(tài)，所以全局復(fù)位是完全沒有必要的，因?yàn)樗械男盘?hào)都已經(jīng)具有明確的初值！Xilinx FPGA都已經(jīng)經(jīng)過充分驗(yàn)證，所以掃描邏輯和運(yùn)行測(cè)試向量都不再是必須的操作，全局復(fù)位作為這些操作的一部分自然也不再需要?！　?/p>