常见的FPGA复位设计

在FPGA设计中，当复位整个系统或功能模块时，需要将先关寄存器被清零或者赋初值，以保证整个系统或功能运行正常。在大部分的设计中，我们经常用“同步复位”或“异步复位”直接将所有的寄存器全部复位，这部分可能大家都习以为常。但实际上，是否需要每个寄存器都进行复位呢？这是一个值得探讨的问题。

一、为什么需要进行复位？

在FPGA设计中，复位是一个基本操作。复位的目的是将FPGA的寄存器清零或赋初值，以确保仿真或正常上板运行时正常，以防止出现不确定的运行状态。

需要注意的是，FPGA中可编程逻辑块和寄存器，可能运行在不同的时钟和状态下，在某些功能突然停止运行时，可能处于未知状态，如果不按照预期的方式进行复位操作，FPGA可能无法正常工作。

如果需要了解同步复位与异步复位，请看这篇文章：FPGA中的异步复位、同步复位与异步复位同步释放。

二、常见的复位设计

根据复位方式的不同，FPGA复位信号可以分为外部复位和内部复位两种，复位信号也要分为高电平复位有效或低电平复位有效。

1、外部复位

外部复位是指由硬件按键或芯片产生的复位信号，也可由软件产生，但这些信号往往与FPGA内部各个时钟信号异步。

2、内部复位

内部复位是由FPGA内部逻辑产生的复位信号，例如在上电后自动复位或识别到某种内部命令后自发产生复位信号。这些复位信号相对于某一时钟域往往是同步的，但如果存在多个时钟域，也可能会存在异步复位信号的情况。

对于一个正常的FPGA系统来说，上电自动复位和手动按键复位都是必须的，二者相辅相成。除此之外，我们还需要根据实际情况确定是否需要对每个寄存器进行复位操作，以及选择适当的复位方式和控制复位操作的时机。在进行FPGA复位设计时，还需要注意复位电路的功耗，以减少不必要的功耗损失。

注意：软复位逻辑需要注意复位信号持续时间，比如一般fifo复位至少需要保持8个周期以上。

3、复位信号特点

（1）复位网络需要占用布线资源，会使得剩余的布线资源变少，对于布线设计带来挑战。
（2）复位信号的引入可能会对其他信号的布线自由度造成限制，这意味着布线可能需要更多的代价才能成功完成。
（3）复位网络占用大量的布局网络资源，会导致Place & Route的时间大大增加。
（4）复位信号需要占用额外的逻辑资源，可能会影响整个FPGA芯片设计的资源消耗。
（5）需要使用触发器的专用复位管脚才能实现复位信号的输入，这也会占用有限的管脚资源。
（6）可操作的复位信号往往需要在D触发器输入前增加额外的门操作或专用的复位信号输入，可能会降低系统性能。

（7）大量的使用全局复位，复位信号将变成一个高扇出的信号，这对时序收敛无疑是一个巨大的挑战

4、寄存器复位与赋初值

FPGA的内部资源（触发器和RAM）等都会在上电后默认赋初值，一般是0，也可以在定义寄存器时赋初值，如：

reg [1:0] test = 'd2; //定义时赋初值

以上这个赋初值操作实际意义不大，但只在系统上电后有效，当FPGA中系统运行起来后，这个变量的值处于变化的状态，还是需要通过复位信号或者使能信号来控制将信号复位。

三、是否需要对每个寄存器都进行复位？

FPGA复位需要消耗FPGA内部资源，也会影响FPGA布线和时序收敛，所以对于每个寄存器都进行复位并不是最优方案，比如寄存器变量延迟几拍、有使能信号或有效信号控制的信号变量等情况都可以不做复位处理，如下所示：

module test(
  input clk,
  input rst,
  input data_valid_i,
  input data_i,
  output reg data0_valid_o,
  output reg data0_o,
  output reg data1_valid_o,
  output reg data1_o,
  output reg data2_valid_o,
  output reg data2_o
);

reg d_r0, d_r1;

always @(posedge clk) begin
   d_r0 <= data_i;

    d_r1 <= d_r0;

​end

always @(posedge clk) begin
   data0_valid_o <= data_valid_i;
   if(data_valid_i) begin
       data0_o <= data_i;
   end else begin
       data0_o <= 'b0;
   end
end

always @(posedge clk) begin
   if(rst) begin
       data1_valid_o <= 'b0;
       data1_o  <= 'b0;
   end else begin
       data1_valid_o <= data_valid_i;
       if(data_valid_i) begin
           data1_o <= data_i;
       end else begin
           data1_o <= 'b0;
       end
   end
end

always @(posedge clk or posedge rst) begin
   if(rst) begin
       data2_valid_o <= 'b0;
       data2_o  <= 'b0;
   end else begin
       data2_valid_o <= data_valid_i;
       if(data_valid_i) begin
           data2_o <= data_i;
       end else begin
           data2_o <= 'b0;
       end
   end
end

endmodule

vivado综合后电路如下：

无复位信号

同步复位

异步复位

以上图中可以看出，没有复位信号的模块中，FDRE型触发器的复位输入接入了地，节省了复位信号的扇出。