FPGA設(shè)計異步復(fù)位同步釋放有講究

　　異步復(fù)位 同步釋放

　　首先要說一下同步復(fù)位與異步復(fù)位的區(qū)別。

　　同步復(fù)位是指復(fù)位信號在時鐘的上升沿或者下降沿才能起作用，而異步復(fù)位則是即時生效，與時鐘無關(guān)。異步復(fù)位的好處是速度快。

　　再來談一下為什么FPGA設(shè)計中要用異步復(fù)位同步釋放。

　　復(fù)位信號的釋放是有講究的：

　　我們知道，DFF的D端和clk端之間時序關(guān)系是有約束的，這種約束我們通過setup time和hold time來 check。即D端的data跳變的時刻要與clk端的時鐘上升沿(或者下降沿)跳變要錯開，如果這兩個跳變撞到一起，我們無法保證DFF能夠sample到正確的data，這時候不滿足setup/hold time要求，就會發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，我們sample到的data可能是不穩(wěn)定的中間態(tài)的值，并不是我們原本想要的data。

　　與此類似，異步復(fù)位端與clk端之間也存在著類似的時序約束關(guān)系，為了準(zhǔn)確穩(wěn)定地sample到異步復(fù)位端的reset信號，我們要求reset信號在clk上升沿(或者下降沿)跳變的前后一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定，不要跳變。clk跳變沿之前必須保持穩(wěn)定的最短時間叫做recovery time，clk跳變沿之后需要保持穩(wěn)定的最短時間叫做removal time。如果在此時間窗口內(nèi)reset信號發(fā)生跳變，不確定reset到底有沒有釋放成功(類似setup+hold時間窗口內(nèi)，data跳變，發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)，sample到的值是不穩(wěn)定的中間態(tài)值)。在IC設(shè)計過程中我們是會check recovery和removal time的，如果不滿足，我們會通過布局布線的調(diào)整(后端的調(diào)整)讓電路滿足這個條件(實質(zhì)就是讓reset跳變沿和clk跳變沿錯開);但是對于FPGA設(shè)計而言，我們一般不采用異步釋放的方法，因為FPGA的布局布線可以調(diào)整的空間不大，相對于IC設(shè)計，F(xiàn)PGA后端的布局布線基本上是tool自己搞定，所以我們很難調(diào)整布局布線以滿足這個條件，所以我們一般就會直接用異步復(fù)位同步釋放的方法來讓reset跳變沿和clk跳變沿錯開。

　　最后再說一下同步數(shù)字電路的setup/hold timing check的實質(zhì)。

　　同步數(shù)字電路的基本單元就是兩級DFF，中間是一堆組合邏輯，data就是在clk一拍一拍的控制下，逐漸向后面?zhèn)鬟f，當(dāng)然，在傳遞的過程中，通過組合邏輯實現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理與轉(zhuǎn)換;但是物理世界里面，組合邏輯一定是有毛刺的，比如說data通過一系列的處理之后準(zhǔn)備通過DFF傳遞到下一個單元的時候，你怎么能保證第二級DFF采到的值是處理完畢穩(wěn)定可靠的data，而不是還處于中間態(tài)的data?!(舉個例子，假設(shè)我們這里的data是一個8bit的bus信號，處理之前是1111_0000，通過組合邏輯處理完之后我們期望變成1111_1111;我們知道后面4個bit由0變1是需要時間的，由于布局布線的緣故，這4bit不可能在同一個時刻齊刷刷的同時由0變1，肯定是有的bit先變1，有的bit后變1;也就是在由1111_0000變成1111_1111的過程中，可能會存在1111_1000/1111_1100/1111_1101/...等等這樣的中間態(tài)數(shù)據(jù)，我們不能在data還處于中間態(tài)的時候就去sample它，否則得到的不是我們預(yù)期的值，會引起整個芯片的邏輯錯誤)。

　　我們實際上是通過setup/hold time來保證的，即：如果電路中所有DFF的setup/hold time都能夠滿足，表示data到達(dá)D端的時間比clk跳變沿時刻超過了setup時間(反之，如果data在setup+hold時間窗口內(nèi)還在變化，一定會有setup/hold timing vio)，這樣，我們通過check 所有DFF的setup/hold timing來間接地保證所有DFF采到的值都是經(jīng)過組合邏輯處理并且處理完畢之后穩(wěn)定可靠的值。(更確切的說，通過hold timing check來保證sample到的值是經(jīng)過組合邏輯處理之后的值而不是上一筆的data，通過setup time來保證sample到的是經(jīng)過組合邏輯處理完畢之后并且穩(wěn)定下來的值)