FPGA中高性能异步复位信号的实现

Timme

你是否曾想过，你的fMAX居然是被异步复位拖慢的吗？！？！

假如你的系统中有同步撤离的异步复位信号（如果你没听过同步撤离，那你可以离开本帖了。。。），那工具默认的设置很可能会实现成下面这个样子：

低性能实现方法一：级联的全局缓冲


在Fitter的默认策略里，同步撤离后的异步复位信号会再次进入一个全局缓冲，这样到寄存器时钟端的路径经过了【一个】全局缓冲，而到寄存器复位端的路径经过了【两个】全局缓冲。对Stratix III C2/C4器件，复位比时钟慢2.4ns/3ns，直接将它们的fMAX限制在400MHz/333MHz。

Recovery Slack: -1.4ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Slow 85C)

LZ近期在Stratix III -3器件上的一个设计有四千多个寄存器，在常温下同时跑750MHz，还有大量的异步复位。那么LZ是怎么做到的呢？请慢慢看。。。

低性能实现方法二：开启物理综合中的“自动异步复位流水线处理”


Quartus针对这个问题，专门做了一个物理综合引擎即“Automatic Asynchronous Signal Pipelining”，开启之后异步复位不走全局缓冲，而是变成了本地的一颗流水线树。但这个方法有三个缺陷：1.占用大量的LUT和本地走线资源，拖慢综合速度。2.流水线树本身的时序仍有可能成为瓶颈。3.这个算法在实际综合中常由于各种原因不被“激活”。

Recovery Slack: -0.46ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Slow 85C)

低性能实现方法三：用本地时钟进行同步撤离，再将时钟和复位一起拖进全局缓冲


通过将输入时钟拖到本地LUT做同步撤离，再和复位一起进入全局缓冲，确实可以解决限制fMAX的问题，在ASIC里是标准的做法，但用在FPGA上有两个重大缺陷：1.时钟拖到LUT再进入全局缓冲的延时太大，相当于没有用专用时钟引脚了。2.时钟进入本地LUT，Jitter和占空比都会变差。

Recovery Slack: 0.079ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Slow 85C)
Removal Slack: 0.133ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Fast 0C)

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***** 以上是三种低性能的异步复位实现方法，好孩子不要学喔 *****
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高性能实现方法一：复位期间将时钟关掉


在复位期间将时钟Gate掉后，Recovery/Removal的时序关系就不存在了，自然没有冲击fMAX的问题。在这里需要启用CLKCTRL中自带的两级寄存器以实现通过ENA的无毛刺门控。不过这个方法有个很大的局限性：这个时钟驱动的所有寄存器必须都用这个异步复位信号。如果存在多个异步复位信号，或者存在没有复位的寄存器，那这个方法就不太适用了。

高性能实现方法二：时钟门控后作为异步复位信号


这个新颖的方法非常适合FPGA，按此方法实现的复位不是一个电平而是跟时钟一样的脉冲：

1.         ___     ___     ___     ___     ___
   
2. CLK ___|   |___|   |___|   |___|   |___|   |___
   
3.                        |←     →|
   
4.         ___     __Removal__   Recovery
   
5. RST ___|   |___|   |___|   |___________________
   
6.                            ↑Gate
   

复制代码

我们可以看到“↑”箭头所指的复位撤离时刻天生就有一个非常好的Recovery/Removal时序。此方法同样需要启用CLKCTRL中自带的两级寄存器对ENA端进行同步处理，同时需要在TimeQuest中将复位信号的上升沿设为伪路径。这个方法唯一的缺陷是复位期间比较耗电，如果系统不长期处于复位状态那就不算什么问题。

Recovery Slack: 0.33ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Slow 85C)
Removal Slack: 0.427ns (Stratix III C2器件，1ns时钟周期，Fast 0C)

chen851112

这里是altera的时钟使能模块，是一个硬核。

poiu_elab

回复 2# chen851112

请问为啥FPGA不能用门控时钟啊？
求指点

Timme

老师没有告诉你，FPGA不能用门控时钟吗？希望你有点FPGA的设思想再来指导FPGA设计。
chen851112 发表于 2013-8-3 09:09

                               
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我就想请教一下Altera做这个功能出来是干嘛的呀？

chen851112

回复 4# Timme
这个模块做出来是实现低功耗，什么睡眠模式的。呵呵

chen851112

回复 3# poiu_elab
这里算不得门控时钟，你可以看手册，这描述中没有用到门控时钟的概念。这个altera的一个硬核，算是一个时钟使能电路。

Timme

回复  Timme
好吧，我错了，其实这并不能算门控时钟，这个是altera自己硬核，是一个时钟控制模块，是硬核 ...
chen851112 发表于 2013-8-3 10:35

                               
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。。。

chen851112

学习了，不明而利啊。

seablue520

写得不错 学习了

goswami

回复 1# Timme

学习了，

一般 异步复位的时序定义为false path就可以避免异步复位影响fmax了，是这样吧？
应用异步复位的同步撤离的设计目的是为了代替同步复位，减小资源消耗么?  不太明白为什么这么纠结？