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  2. 侵权投诉

    如何理解FPGA中异步复位和同步释放

    FPGA与数据通信 ? 2021-08-11 09:14 ? 次阅读

    同步复位和异步复位

    异步复位

    异步复位是指无论时钟沿是否到来,只要复位信号有效,就对系统进行复位。

    RTL代码如下:

    always@(posedgeclkornegedgerst_n)
    
    if(!rst_n)b<=?1'b0;
    
    ?????????else?b?<=?a;

    综合后如下:

    4aa2cf92-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    我们可以看到FPGA寄存器都有一个异步的清零端(CLR),在异步复位的设计中这个端口一般就是接低电平有效的复位信号rst_n。即使说你的设计中是高电平复位,那么实际综合后会把你的复位信号反向后接这个CLR端。公众号:OpenFPGA

    同步复位

    同步复位是指只有在时钟上升沿到来时才会对复位信号进行采样,也就是只有在时钟上升沿时,复位信号才有效。

    其RTL代码如下:

    always@(posedgeclk)
    
    if(!rst_n)b<=?1'b0;
    
    ?????????else?b?<=?a;
    

    综合后如下:

    4aad9b0c-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    和异步复位相比,同步复位没有用上寄存器的CLR端口,综合出来的实际电路只是把复位信号rst_n作为了输入逻辑的使能信号。那么,这样的同步复位势必会额外增加FPGA内部的资源消耗。

    那么同步复位和异步复位到底孰优孰劣呢?

    只能说,各有优缺点。同步复位的好在于它只在时钟信号clk的上升沿触发进行系统是否复位的判断,这降低了亚稳态出现的概率;它的不好上面也说了,在于它需要消耗更多的器件资源,这是我们不希望看到的。FPGA的寄存器有支持异步复位专用的端口,采用异步复位的端口无需额外增加器件资源的消耗,但是异步复位也存在着隐患,特权同学曾说过从没有意识到也没有见识过。异步时钟域的亚稳态问题同样的存在与异步复位信号和系统时钟信号之间。公众号:OpenFPGA

    上面的分析似乎都让人意识到同步复位和异步复位都不可靠,那么如何将两者结合,取长补短呢?

    异步复位、同步释放

    所谓异步复位,同步释放就是在复位信号到来的时候不受时钟信号的同步,而是在复位信号释放的时候受到时钟信号的同步。

    如下图,单独看方框左的复位策略,是一个异步复位电路,即复位信号有效时不管时钟信号是否处于有效沿,输出都会被复位,但是如果复位信号在时钟信号的上升沿撤销时,这时候的输出就是亚稳态。

    4ab9986c-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    首先看一下怎么实现异步复位:当rst_async_n有效时,第二个D触发器的输出rst_sync_n就是低电平,方框左中的异步复位端口有效,输出被复位。

    然后是同步释放:假设rst_async_n在clk的上升沿时撤除,那么第一级触发器处于亚稳态,但是由于两级触发器的缓冲作用,第二级触发器的输入为clk到来前第一级触发器的输出,即为低电平。因此,此时第二级触发器的输出一定是稳定的低电平,方框左中触发器仍然处于复位状态。在下一个clk到来时,第一级触发器的输出已经是稳定的高电平了,故rst_sync_n已经是稳定的高电平,此时复位释放。也就是同步释放。公众号:OpenFPGA

    通过上面分析可知:异步复位、同步释放其最显著特征是既保留了异步复位的功能,又避免了异步复位释放时所面临的recovery或者removal违例问题。

    那异步复位同步释放是如何避免recovery和removal违例问题的呢?如下代码所示,是异步复位同步释放的RTL code。

    always@(posedgeclk,negedgerst_async_n)
    if(!rst_async_n)begin
    rst_s1<=?1'b0;??
    rst_s2?<=?1'b0;??
    end??
    else?begin??
    rst_s1?<=?1'b1;??
    rst_s2?<=?rst_s1;??
    end??
    ?
    assign?rst_sync_n?=?rst_s2;???
    endmodule?

    从上述代码可以看出,rst_async_n=0时,rst_sync_n会被立即复位为0,输出到后续电路用于异步复位;rst_async_n=1时,假设此时恰好在时钟沿附近,会造成recovery或者removal的违例,但经过DFF1和DFF2的两级同步,rst_sync_n释放沿与时钟沿同步,送入到后续电路不会再有recovery和removal违例出现。

    问题1

    如果没有前面两级触发器的处理。异步信号直接驱动系统的触发器?;岢鱿质裁辞榭??

    回答:很多人只知道触发器D端口来源是异步的话,会因为建立保持时间的时序违反而在触发器Q端口产生亚稳态。但是不清楚,异步复位信号为什么会导致亚稳态的产生。

    首先,回顾理论教材里介绍的建立保持时间违反分析,教材一般都是拿没有复位端口的D触发器举例。

    然后,画出带有异步复位端口的D触发器,下图带异步复位Rd,并带有异步置位端口Sd。公众号:OpenFPGA

    由此得知,异步复位信号或者异步置位信号,跟数据端口D信号,没有什么区别,都会存在建立保持时间的违反,从而时序冲突,引发输出亚稳态。

    4b2ad89c-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    问题2

    复位信号存在亚稳态,有危险吗?

    回答:

    亚稳态,出现的问题或者麻烦,是在信号变化的时候,不能保证第一拍采样的值是固定的。

    如果信号稳定,不会出现亚稳态的。就是采样后的跳变,时刻不确定,也许早,也许晚。

    系统不希望这样的未知状态发生,系统希望知道在某一个时刻,后续逻辑需要的输入信号,是稳定值。公众号:OpenFPGA

    二级触发器同步后,第二季触发器的输出基本上是稳定值。后续逻辑根据稳定值,会有稳定的行为。这就是追求的系统稳定性。

    最好是系统一起复位释放,但是时钟域不同,不可能保证系统一起复位释放。一般来说,系统复位释放的顺序,是需要保证的。否则系统就是不安全的。公众号:OpenFPGA

    举个例子,系统启动时,内核读取启动指令,要powerdown某外设;但是powerdown的逻辑要求外设和内核没有通信请求正在发生。此时,外设比内核先释放复位的情况(复位释放的时刻,外设有可能已经开始与内核发生请求),与内核比外设先释放复位的情况(复位释放的时刻,外设肯定与内核没有发生请求),是不一样的,powerdown也许不能处理成功。

    这也是异步复位信号需要同步释放的原因,目的都是为了避免亚稳态的产生。

    问题3

    如果只做一级触发器同步,如何?

    回答:不可以。第一级触发器的输出,永远存在亚稳态的可能。亚稳态,导致系统不会复位初始化到已知状态。

    当第一级触发器采样异步输入之后,允许输出出现的亚稳态可以长达一个周期,在这个周期内,亚稳态特性减弱。在第二个时钟沿到来时,第二级同步器采样,之后才把该信号传递到内部逻辑中去。第二级输出是稳定且已被同步了的。如果在第二级采样时保持时间不够,第一级的输出仍然处于很强的亚稳态,将会导致第二级同步器也进入亚稳态,但这种故障出现的概率比较小。公众号:OpenFPGA

    一般情况下,两级同步器总体的故障概率是一级同步器故障概率的平方。在大部分的同步化设计中,两级同步器足以消除所有可能的亚稳态了。

    问题4

    两级触发器同步,就能消除亚稳态吗?

    回答:不能。大大降低概率,如果几十年出现一次,也无所谓了。毕竟芯片不会用几十年,早就老化严重淘汰了。

    4b378ce0-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    问题5

    第一级触发器的数据端口为什么是1’b1?回答:

    如果第一级触发器的数据端口,使用rst_async_n。综合后的第一级触发器电路图如下

    4b5a458c-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    如果第一级触发器的数据端口,使用1’b1。综合后的第一级触发器电路图如下:

    4b653b18-f7b2-11eb-9bcf-12bb97331649.png

    考虑到电路实现的资源,还是第2种方案最节省,为最佳设计。

    参考资料

    https://blog.csdn.net/cainiaoyizhiyang/article/details/98479356https://blog.csdn.net/wordwarwordwar/article/details/79889725

    编辑:hfy

    原文标题:FPGA中异步复位,同步释放的理解

    文章出处:【微信号:gh_339470469b7d,微信公众号:FPGA与数据通信】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

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    的头像 算法与数据结构 发表于 08-13 17:45 ? 4517次 阅读
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    FPGA中浮点运算定标实现方法

    有些FPGA中是不能直接对浮点数进行操作的,只能采用定点数进行数值运算。对于FPGA而言,参与数学运....
    的头像 润和软件 发表于 08-12 09:53 ? 1963次 阅读
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    有市无价的宇航级芯片凭什么卖500万一颗?

    为何这类宇航级的芯片能卖这么贵呢?就拿XQR5VFX130-1CF1752V来说,该芯片抗辐射能力非....
    的头像 荷叶塘 发表于 08-11 17:16 ? 6414次 阅读
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    Microchip推出新型中等带宽FPGA器件,实现边缘计算系统功率和性能的飞跃

    Microchip全新低密度PolarFireò器件静态功耗是同类器件的一半,同时提供全球最小的发热....
    发表于 08-11 14:16 ? 619次 阅读
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    SSI技术-从概念到现实

    Xilinx 3D IC技术简介 跨Die约束?SLR?SSI?这些是使用UltraScale+/V....
    的头像 FPGA与数据通信 发表于 08-10 17:25 ? 824次 阅读
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    FPGA的硬件架构和工作原理

    一、FPGA的硬件架构和工作原理 1.1早期的PROM技术实现 在上世纪60年代以后,小规模集成电路....
    的头像 FPGA设计论坛 发表于 08-10 16:41 ? 808次 阅读
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    如何用FPGA并行高速运算实现实时的引导滤波算法

    前面一篇文章中,已经详细的分析了引导滤波的理论,公式的推导,以及和双边滤波的对比分析,即在边缘的处理....
    的头像 模拟在线 发表于 08-10 14:27 ? 285次 阅读
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    如何通过软件?无线?电?推进?无线?原型?验证?

    Xilinx Zynq UltraScale+ FPGA的可编程逻辑组件拥有的FPGA资源比其他US....
    的头像 FPGA开发圈 发表于 08-10 11:31 ? 3826次 阅读
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    TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

    TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...
    发表于 09-19 16:35 ? 333次 阅读
    TMP411 ±1°C Programmable Remote/Local Digital Out Temperature Sensor

    TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器

    TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小?;て荡嵘阅?,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...
    发表于 09-18 16:05 ? 234次 阅读
    TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远程和本地温度传感器
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