常見的FPGA復(fù)位設(shè)計

在FPGA設(shè)計中，當復(fù)位整個系統(tǒng)或功能模塊時，需要將先關(guān)寄存器被清零或者賦初值，以保證整個系統(tǒng)或功能運行正常。在大部分的設(shè)計中，我們經(jīng)常用“同步復(fù)位”或“異步復(fù)位”直接將所有的寄存器全部復(fù)位，這部分可能大家都習(xí)以為常。但實際上，是否需要每個寄存器都進行復(fù)位呢？這是一個值得探討的問題。

一、為什么需要進行復(fù)位？

在FPGA設(shè)計中，復(fù)位是一個基本操作。復(fù)位的目的是將FPGA的寄存器清零或賦初值，以確保仿真或正常上板運行時正常，以防止出現(xiàn)不確定的運行狀態(tài)。

需要注意的是，F(xiàn)PGA中可編程邏輯塊和寄存器，可能運行在不同的時鐘和狀態(tài)下，在某些功能突然停止運行時，可能處于未知狀態(tài)，如果不按照預(yù)期的方式進行復(fù)位操作，F(xiàn)PGA可能無法正常工作。

如果需要了解同步復(fù)位與異步復(fù)位，請看這篇文章：FPGA中的異步復(fù)位、同步復(fù)位與異步復(fù)位同步釋放。

二、常見的復(fù)位設(shè)計

根據(jù)復(fù)位方式的不同，F(xiàn)PGA復(fù)位信號可以分為外部復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位兩種，復(fù)位信號也要分為高電平復(fù)位有效或低電平復(fù)位有效。

1、外部復(fù)位

外部復(fù)位是指由硬件按鍵或芯片產(chǎn)生的復(fù)位信號，也可由軟件產(chǎn)生，但這些信號往往與FPGA內(nèi)部各個時鐘信號異步。

2、內(nèi)部復(fù)位

內(nèi)部復(fù)位是由FPGA內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的復(fù)位信號，例如在上電后自動復(fù)位或識別到某種內(nèi)部命令后自發(fā)產(chǎn)生復(fù)位信號。這些復(fù)位信號相對于某一時鐘域往往是同步的，但如果存在多個時鐘域，也可能會存在異步復(fù)位信號的情況。

對于一個正常的FPGA系統(tǒng)來說，上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位都是必須的，二者相輔相成。除此之外，我們還需要根據(jù)實際情況確定是否需要對每個寄存器進行復(fù)位操作，以及選擇適當?shù)膹?fù)位方式和控制復(fù)位操作的時機。在進行FPGA復(fù)位設(shè)計時，還需要注意復(fù)位電路的功耗，以減少不必要的功耗損失。

注意：軟復(fù)位邏輯需要注意復(fù)位信號持續(xù)時間，比如一般fifo復(fù)位至少需要保持8個周期以上。

3、復(fù)位信號特點

（1）復(fù)位網(wǎng)絡(luò)需要占用布線資源，會使得剩余的布線資源變少，對于布線設(shè)計帶來挑戰(zhàn)。
（2）復(fù)位信號的引入可能會對其他信號的布線自由度造成限制，這意味著布線可能需要更多的代價才能成功完成。
（3）復(fù)位網(wǎng)絡(luò)占用大量的布局網(wǎng)絡(luò)資源，會導(dǎo)致Place & Route的時間大大增加。
（4）復(fù)位信號需要占用額外的邏輯資源，可能會影響整個FPGA芯片設(shè)計的資源消耗。
（5）需要使用觸發(fā)器的專用復(fù)位管腳才能實現(xiàn)復(fù)位信號的輸入，這也會占用有限的管腳資源。
（6）可操作的復(fù)位信號往往需要在D觸發(fā)器輸入前增加額外的門操作或?qū)Ｓ玫膹?fù)位信號輸入，可能會降低系統(tǒng)性能。

（7）大量的使用全局復(fù)位，復(fù)位信號將變成一個高扇出的信號，這對時序收斂無疑是一個巨大的挑戰(zhàn)

4、寄存器復(fù)位與賦初值

FPGA的內(nèi)部資源（觸發(fā)器和RAM）等都會在上電后默認賦初值，一般是0，也可以在定義寄存器時賦初值，如：

reg [1:0] test = 'd2; //定義時賦初值

以上這個賦初值操作實際意義不大，但只在系統(tǒng)上電后有效，當FPGA中系統(tǒng)運行起來后，這個變量的值處于變化的狀態(tài)，還是需要通過復(fù)位信號或者使能信號來控制將信號復(fù)位。

三、是否需要對每個寄存器都進行復(fù)位？

FPGA復(fù)位需要消耗FPGA內(nèi)部資源，也會影響FPGA布線和時序收斂，所以對于每個寄存器都進行復(fù)位并不是最優(yōu)方案，比如寄存器變量延遲幾拍、有使能信號或有效信號控制的信號變量等情況都可以不做復(fù)位處理，如下所示：

module test(
  input clk,
  input rst,
  input data_valid_i,
  input data_i,
  output reg data0_valid_o,
  output reg data0_o,
  output reg data1_valid_o,
  output reg data1_o,
  output reg data2_valid_o,
  output reg data2_o
);

reg d_r0, d_r1;

always @(posedge clk) begin
   d_r0 <= data_i;

    d_r1 <= d_r0;

?end

always @(posedge clk) begin
   data0_valid_o <= data_valid_i;
   if(data_valid_i) begin
       data0_o <= data_i;
   end else begin
       data0_o <= 'b0;
   end
end

always @(posedge clk) begin
   if(rst) begin
       data1_valid_o <= 'b0;
       data1_o  <= 'b0;
   end else begin
       data1_valid_o <= data_valid_i;
       if(data_valid_i) begin
           data1_o <= data_i;
       end else begin
           data1_o <= 'b0;
       end
   end
end

always @(posedge clk or posedge rst) begin
   if(rst) begin
       data2_valid_o <= 'b0;
       data2_o  <= 'b0;
   end else begin
       data2_valid_o <= data_valid_i;
       if(data_valid_i) begin
           data2_o <= data_i;
       end else begin
           data2_o <= 'b0;
       end
   end
end

endmodule

vivado綜合后電路如下：

無復(fù)位信號

同步復(fù)位

異步復(fù)位

以上圖中可以看出，沒有復(fù)位信號的模塊中，F(xiàn)DRE型觸發(fā)器的復(fù)位輸入接入了地，節(jié)省了復(fù)位信號的扇出。