摘 要： 復位是FPGA設計中一個基本而又重要的問題，如果處理不當，不僅可能導致亞穩(wěn)態(tài)的問題，而且會降低設計的資源利用率。分析了不同的復位方式對系統(tǒng)亞穩(wěn)態(tài)和資源利用率的影響，并對不同的目標器件中復位信號的使用給出了建議。
關鍵詞： 復位；亞穩(wěn)態(tài)；資源利用率
在FPGA設計中，復位信號扮演著重要的角色，設計人員通常都使用一個外部輸入的全局復位信號在上電初期對系統(tǒng)進行初始化[1-2]。通常，F(xiàn)PGA中的全局復位信號一般由3種途徑獲得[3]：(1)用一個復位按鈕產(chǎn)生一個復位信號接到FPGA的全局復位管腳上,它的速度非常慢，而且存在抖動的問題;(2)上電時由電源芯片產(chǎn)生,如TI公司TPS76x系列的電源系統(tǒng)一般都可以產(chǎn)生復位信號，供主芯片上電復位使用；(3)由微處理器產(chǎn)生復位脈沖，這個是設計人員可以方便使用程序控制的。
全局復位管腳類似于其他任何輸入管腳，通常都是異步的，設計人員可以在FPGA中將其當作異步或同步復位信號來使用， 但一個最佳的復位結構卻可以對FPGA的亞穩(wěn)態(tài)和資源利用率產(chǎn)生很大的影響。
1 復位與亞穩(wěn)態(tài)
1.1 異步復位
在大多數(shù)FPGA設計中，外部輸入的全局復位信號被直接當作異步復位來使用。這種用法在可控的仿真環(huán)境下工作正常，然而在真實的系統(tǒng)中卻常常會出現(xiàn)不規(guī)律的錯誤，其原因在于設計人員常常低估了真實系統(tǒng)中復位信號的“釋放”問題，這個問題可能導致系統(tǒng)中的觸發(fā)器進入亞穩(wěn)態(tài)，從而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性[4]。
常用的異步復位電路Verilog描述如下：
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) q <= 1’b0;
else q <= d;
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復位電路模型如圖1所示。圖2為異步復位電路的復位時序圖。
如果異步復位信號的撤銷時間在Trecovery(恢復時間)和Tremoval(移除時間)之內(nèi)，則造成亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生，觸發(fā)器的輸出在時鐘邊沿的Tco后會產(chǎn)生振蕩，最終穩(wěn)定到“0”或者“1”，這就有可能造成復位失敗。
1.2 同步復位
由于全局復位信號通常是異步的，因此，有些設計人員采用同步復位電路對FPGA進行復位，并且絕大多數(shù)文獻資料認為同步復位電路都不會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，其實不然，同步電路也會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，只是幾率小于異步復位電路。
常用的同步復位電路Verilog描述如下：
always @ (posedge clk)
begin
if(!rst_n) q <= 1’b0;
elseq <= d;
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復位電路模型如圖3所示,其復位時序圖如圖4所示。
當輸入端d為高電平且復位信號的撤銷時間在clk的Tsu（建立時間）和Th（保持時間）內(nèi)時，亞穩(wěn)態(tài)就隨之產(chǎn)生了。如圖4所示，當復位信號的撤銷時間在clk的Tsu和Th內(nèi)時，輸入數(shù)據(jù)為“1”，通過和輸入數(shù)據(jù)相“與”后產(chǎn)生的信號d’也在clk的Tsu和Th內(nèi)，因此，勢必會造成類似異步信號采集的亞穩(wěn)態(tài)情況。
1.3 異步復位、同步釋放
為了解決單純的異步復位或同步復位所帶來的亞穩(wěn)態(tài)問題，一種常用的處理方式是異步復位、同步釋放。其Verilog描述如下：
always @ (posedge clk or negedge rst_n_asyn)
begin
if (!rst_n_asyn)
begin
temp <= 1′b0;
rst_n_syn <= 1′b0;
end
else
begin
temp <= 1′b1;
rst_n_syn <= temp;
end
end
在Quartus Ⅱ中綜合出的異步復位、同步釋放電路模型如圖5所示。
由圖5可以看出，新產(chǎn)生的復位信號rst_n_syn是一個同步化了的異步復位信號，其復位時刻的到來不受時鐘信號的影響，同時其復位釋放的時刻卻與時鐘信號同步。這種復位方式很好地將異步復位和同步復位的優(yōu)點結合起來，設計人員在開發(fā)FPGA工程時只需要在每個時鐘域內(nèi)用這種異步復位、同步釋放的復位結構產(chǎn)生一個局部的復位信號rst_n_syn，并用它來對該時鐘域內(nèi)的所有模塊進行復位,便可以有效地降低亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的幾率。
2 復位與資源利用率
在不同的目標器件中，寄存器對復位的異步或同步、高電平或低電平有不同的要求和實現(xiàn)，因此，不同的復位方式對FPGA的資源利用率也將產(chǎn)生很大的影響。
2.1 Altera公司的FPGA
在Altera公司的FGPA中，每個寄存器都有一個異步的清零輸入端[5]。高/低電平的異步/同步復位電路在Quartus Ⅱ中綜合出的電路模型如圖6~圖9所示。
由圖6~圖9所示的電路模型可以看出，在Altera公司的FPGA中,不論是高電平還是低電平的異步復位，直接使用了寄存器的CLR端口；然而如果是同步復位，綜合后會在其寄存器的數(shù)據(jù)路徑上增加一個數(shù)據(jù)選擇器，將復位信號作為輸入邏輯的使能信號，這樣不僅增加了設計的資源占用量，而且增加了數(shù)據(jù)信號的路徑時延。
2.2 Xilinx公司的FPGA
在Xilinx公司的FGPA中，每個寄存器都有一個專用的清零輸入端[6]。高/低電平的異步/同步復位電路在ISE 12.4中綜合出的電路模型如圖10~圖13所示。
由圖10~圖13所示的電路模型可以看出，在Xilinx的FPGA中，不論是同步的還是異步的高電平復位，直接使用了寄存器的專用清零輸入端；然而如果是低電平復位，綜合后會在復位路徑上增加一個反相器，這樣不僅增加了設計的資源占用量，而且增加了復位信號的路徑時延。
從以上分析可以看出， 在FPGA設計中，通過異步復位、同步釋放的復位結構將外部輸入的全局復位信號進行同步化，可以降低系統(tǒng)中亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的幾率，增加系統(tǒng)復位的可靠性； 同時,在Altera公司的FPGA中對寄存器使用高電平或低電平的異步復位、在Xilinx公司的FPGA中對寄存器使用異步或同步的高電平復位，均可以降低設計的資源占用量，提高資源利用率。因此，在FPGA設計時，設計人員應該根據(jù)不同的應用場景和不同的目標器件區(qū)別使用復位方式，以取得最佳的復位效果。
參考文獻
[1] 周偉,杜玉曉，楊其宇,等.FPGA跨時鐘域亞穩(wěn)態(tài)研究[J].
電子世界, 2012(3):87-89.
[2] 黃隸凡,鄭學仁.FPGA設計中的亞穩(wěn)態(tài)研究[J]. 微電子
學, 2011,41(2):265-268,273.
[3] CHAPMAN K. Get smart about reset think local, not
global[Z]. Xilinx FPGAs, 2008.
[4] 汪路元.FPGA設計中的亞穩(wěn)態(tài)及其緩解措施[J].電子技
術應用，2012,38(8):13-15.
[5] Altera. Cyclone IV device handbook[Z].2013.
[6] Xilinx. Virtex-5 family overview[Z].2009.