FPGA復(fù)位的可靠性設(shè)計方案

　　對FPGA設(shè)計中常用的復(fù)位設(shè)計方法進行了分類、分析和比較。針對FPGA在復(fù)位過程中存在不可靠復(fù)位的現(xiàn)象，提出了提高復(fù)位設(shè)計可靠性的4種方法，包括清除復(fù)位信號上的毛刺、異步復(fù)位同步釋放、采用專用全局異步復(fù)位/置位資源和采用內(nèi)部復(fù)位。上述方法可有效提高FPGA復(fù)位的可靠性。

　　對FPGA芯片而言，在給芯片加電工作前，芯片內(nèi)部各個節(jié)點電位的變化情況均不確定、不可控，而這種不確定且不可控的情況會使芯片在上電后的工作狀態(tài)出現(xiàn)錯誤。因此，在FPGA的設(shè)計中，為保證系統(tǒng)能可靠進進入工作狀態(tài)，以及避免對FPGA輸出關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，F(xiàn)PGA上電后要進行復(fù)位，且為了消除電源開關(guān)過程中引起的抖動影響，復(fù)位信號需在電源穩(wěn)定后經(jīng)過一定的延時才能撤銷，F(xiàn)PGA的復(fù)位信號需保證正確、穩(wěn)定、可靠。

　　在FPGA的設(shè)計中，多數(shù)情況下復(fù)位電路的功能雖能夠正常完成，但電路并未得到精確合理的設(shè)計，仍存在可靠性設(shè)計缺陷。為確保系統(tǒng)復(fù)位的可靠性，有必要對FPGA復(fù)位的可靠性設(shè)計方法進行研究。

　　1 復(fù)位設(shè)計方法分類

　　復(fù)位的目的是在仿真時將設(shè)計強制定位在一個可知狀態(tài)，合理選擇復(fù)位方式是電路設(shè)計的關(guān)鍵。根據(jù)與系統(tǒng)時鐘域的關(guān)系，復(fù)位電路可分為同步復(fù)位和異步復(fù)位。同步復(fù)位是指復(fù)位信號只在時鐘沿到來時，才有效。否則，無法完成對系統(tǒng)的復(fù)位工作。異步復(fù)位是指無論時鐘沿是否到來，只要復(fù)位信號有效，使對系統(tǒng)進行復(fù)位。

　　根據(jù)是否存在外部復(fù)位端口，復(fù)位電路又可分為外部復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位。外部復(fù)位是指復(fù)位信號主要來自外部引腳的輸入，如復(fù)位按鈕、電源模塊輸出等。內(nèi)部復(fù)位信號則是主要由FPGA內(nèi)部電路產(chǎn)生。

　　2 復(fù)位設(shè)計方法的比較

　　2.1 同步復(fù)位與異步復(fù)位

　　2.2.1 同步復(fù)位

　　指定同步復(fù)位時，always的敏感表中僅有一個時鐘沿信號，只有當(dāng)時鐘沿采集到同步復(fù)位的有效電平時，才會在時鐘沿到達時刻進行復(fù)位操作。若目標器件或可用庫中的觸發(fā)器本身包含同步復(fù)位端口，則在實現(xiàn)同步復(fù)位電路時可直接調(diào)用同步復(fù)位端。然而多數(shù)目標器件的觸發(fā)器本身并不包含同步復(fù)位端口，需使復(fù)位信號與輸入信號組成某種組合邏輯，然后將其輸入到寄存器的輸入端。為了提高復(fù)位電路的優(yōu)先級，通常在電路描述時使用帶有優(yōu)先級的if…else結(jié)構(gòu)，復(fù)位電路在第一個if下描述，其他電路在else或else…if分支中描述。復(fù)位電路綜合后的RTL圖如圖1所示。

　　圖1 同步復(fù)位電路圖

　　根據(jù)同步電路的特點，其電路優(yōu)點有：(1)同步復(fù)位有利于基于周期機制的仿真器進行仿真。(2)使用同步復(fù)位可設(shè)計100%的同步時序電路，有利于時序分析，其綜合結(jié)果的頻率較高。(3)同步復(fù)位僅在時鐘的有效沿生效，可有效避免因毛刺造成的亞穩(wěn)態(tài)和錯誤。毛刺信號是由FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征決定的，同步復(fù)位在進行復(fù)位和釋放復(fù)位信號時，僅當(dāng)時鐘沿采到復(fù)位信號電平變化時進行相關(guān)操作，若復(fù)位信號樹的組合邏輯出現(xiàn)了某種毛刺，此時時鐘沿采到毛刺的概率較低，由此通過時鐘沿采樣，可有效過波復(fù)位電路組合邏輯產(chǎn)生的毛刺，增強了電路穩(wěn)定性。

　　同步復(fù)位的缺點有：(1)多數(shù)目標器件庫的觸發(fā)器本身并不包含同步復(fù)位端口，使用同步復(fù)位會增加更多邏輯資源。(2)同步復(fù)位的最大問題在于必須保證復(fù)位信號的有效時間，需要一個脈寬延展器以確保復(fù)位信號有一定脈沖寬度，由此才能保證所有觸發(fā)器均能有效復(fù)位。由于同步復(fù)位僅當(dāng)時鐘沿采到復(fù)位信號時才會進行復(fù)位操作，所以其信號的持續(xù)時間要大于設(shè)計的最長時鐘周期，以保證所有時鐘的有效沿都能采樣到同步復(fù)位信號。事實上，僅保證同步復(fù)位信號的持續(xù)時間大于最慢的時鐘周期是不夠的，設(shè)計中還需考慮到同步復(fù)位信號樹通過所有相關(guān)組合邏輯路徑時的延時，以及由于時鐘布線產(chǎn)生的偏斜。只有同步復(fù)位大于時鐘最大周期，加上同步信號穿過的組合邏輯路徑延時和時鐘偏斜延時，才能確保同步復(fù)位的可靠。

　　2.2.2 異步復(fù)位

　　指定異步復(fù)位時，只需在always的敏感表中加人復(fù)位信號的有效沿即可，當(dāng)復(fù)位信號有效沿到達時，無論時鐘沿是否有效，復(fù)位均會立即發(fā)揮其功能。

　　大多數(shù)目標器件和ASIC庫的觸發(fā)器均包含異步復(fù)位端口，異步復(fù)位會直接接人觸發(fā)器的異步復(fù)位端口，綜合后的RTL圖如圖2所示。

　　圖2 異步復(fù)位電路圖

　　根據(jù)異步電路的特點，異步復(fù)位的優(yōu)點有：(1)由于多數(shù)目標器件庫的觸發(fā)器都包含異步復(fù)位端口，異步復(fù)位會節(jié)約邏輯資源。(2)異步復(fù)位設(shè)計簡單。(3)對于多數(shù)FPGA,均有專用的全局異步復(fù)位/置位資源(GSR,Global Set Reset)，還可使用GSR資源，異步復(fù)位到達所有寄存器的偏斜最小。　　異步復(fù)位的缺點如下：(1)異步復(fù)位的作用和釋放與時鐘沿并無直接關(guān)系，異步復(fù)位生效時問題并不明顯;但當(dāng)釋放異步復(fù)位時，若異步復(fù)位信號釋放時間和時鐘的有效沿到達時間幾乎一致，則容易造成觸發(fā)器輸出為亞穩(wěn)態(tài)，形成邏輯錯誤。(2)若異步復(fù)位邏輯樹的組合邏輯產(chǎn)生了毛刺，則毛刺的有效沿會使觸發(fā)器誤復(fù)位，造成邏輯錯誤。

　　2.3 外部復(fù)位和內(nèi)部復(fù)位

　　外部復(fù)位，復(fù)位信號主要來自外部引腳的輸人。復(fù)位信號在電路板上可能會受到來自其他線路的串?dāng)_，因此可能產(chǎn)生毛刺，在無需復(fù)位系統(tǒng)時，毛刺信號可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤復(fù)位。

　　內(nèi)部復(fù)位，F(xiàn)PGA上電配置完成后，由FPGA內(nèi)部電路產(chǎn)生復(fù)位信號，復(fù)位信號與時鐘同步。通常內(nèi)部復(fù)位的設(shè)計方法是：設(shè)計一個初始值為0X0000的SRL16,將其輸人接高電平，輸出作為復(fù)位信號。

　　3 復(fù)位可靠性設(shè)計方法

　　3.1 消除復(fù)位信號上的毛刺

　　在系統(tǒng)設(shè)計中，若采用低有效復(fù)位信號，可按照圖3所示方法對復(fù)位信號中的毛刺進行消除。延時器件對數(shù)據(jù)進行延時的長度決定復(fù)位毛刺消除電路所能避免的毛刺長度，而延時器件的延時長度也決定需要提供有效復(fù)位信號的最短時間。

　　如果復(fù)位信號高有效，則將圖3中的或門改為與門使用。為更好地消除毛刺，可在復(fù)位毛刺消除電路后再加上寄存器對復(fù)位信號進行時鐘同步。在通常復(fù)位電路的設(shè)計中，毛刺的長度一般情況下>1個時鐘周期，<16個時鐘周期。為節(jié)省資源，延時器件通常選用SRL16。SRL16可設(shè)置初始值，但不帶復(fù)位功能16bit移位寄存器，能夠通過A0~A3的4根地在線選擇從第幾個寄存器輸出。通常將其作為一個普通的16bit移位寄存器使用。

　　3.2 異步復(fù)位同步釋放

　　在有些應(yīng)用中，復(fù)位信號需要在時鐘尚未給出或不穩(wěn)定的情況下傳到后級，在時鐘穩(wěn)定之后，再撤去復(fù)位信號。此時需使用異步復(fù)位來實現(xiàn)。由于異步復(fù)位時，時鐘和復(fù)位關(guān)系的不確定性，易造成觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài)，引起邏輯錯誤。為確保其復(fù)位的可靠性，通常采用異步復(fù)位，同步釋放的方式。

　　所謂異步復(fù)位，同步釋放就是在復(fù)位信號到達時不受時鐘信號的同步，而是在該信號釋放時受時鐘信號的同步。通過一個復(fù)位信號綜合器便可實現(xiàn)異步復(fù)位，同步釋放。綜合后的RTL圖如圖3所示，其仿真結(jié)果表明該電路能有效的實現(xiàn)復(fù)位及脫離復(fù)位。

　　圖3異步復(fù)位、同步釋放電路圖

　　3.3 采用專用全局異步復(fù)位/置位資源

　　全局異步復(fù)位/置位資源的主要作用是對系統(tǒng)中存在的所有觸發(fā)器、鎖存器、查找表單元的輸出寄存器進行復(fù)位，不會占有額外的布線資源。使用GSR資源，異步復(fù)位到達所有寄存器的偏斜最小。

　　3.4 采用內(nèi)部復(fù)位的設(shè)計方法

　　在無需復(fù)位信號先于時鐘信號產(chǎn)生的應(yīng)用中，為避免外部復(fù)位毛刺的影響、異步復(fù)位電路可能引起的亞穩(wěn)態(tài)以及減少資源的使用率，可通過FPGA產(chǎn)生內(nèi)部復(fù)位，然后采用異步的方式對其的內(nèi)寄存器進行復(fù)位。由于該復(fù)位信號由FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，不會因外部干擾而產(chǎn)生毛刺，同時又與時鐘同步，不存在因異步復(fù)位導(dǎo)致的亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，因此可確保系統(tǒng)可靠復(fù)位。

　　4 結(jié)束語

　　FPGA的可靠復(fù)位是保證系統(tǒng)能夠正常工作的必要條件，本文對FPGA設(shè)計中常用的復(fù)位設(shè)計方法進行了分類、分析和比較，并針對各種復(fù)位方式的特點，提出了如何提高復(fù)位設(shè)計可靠性的方法。在工程實踐中，上述方法可以有效減少或消除FPGA復(fù)位所產(chǎn)生的錯誤。