FPGA研发之道(8)架构设计漫谈(三)时钟和复位

　　接口确定以后，FPGA内部如何规划?首先需要考虑就是时钟和复位。
　　时钟：根据时钟的分类，可以分为逻辑时钟，接口时钟，存储器时钟等;
　　(1)逻辑时钟取决与逻辑的关键路径，最终值是设计和优化的结果，从经验而不是实际出发：低端FPGA(cyclone SPANtan)工作频率在40-80Mhz之间，而高端器件(stratix virtex)可达100-200Mhz之间，根据各系列的先后性能会有所提升，但不是革命性的。
　　(2)接口时钟，异步信号的时序一般也是通过FPGA片内同步逻辑产生，一般需要同步化，即接口的同步化采样。某些接口的同步时钟一般是固定而精确的，例如下表所示，如SERDES的时钟尽量由该BANK的专用时钟管脚输入，这样可保证一组SERDES组成的高速接口时钟偏斜一致。

　　(3)外部存储器时钟：这里时钟主要为LPDDR/DDR2/DDR3等器件的时钟，一般来说FPGA的接口不用工作在相应器件的最高频率。能够满足系统缓存数据的性能即可，但是一般这些IP的接口都规定了相应的最小时钟频率，因为这些接口状态机需不停进行外部器件的刷新(充电)，过低的频率可能会引起刷新的问题，造成数据丢失或者不稳定。
　　(4)另外一些需要输出的低速时钟，例如I2C、MDIO、低速采样等操作，可以通过内部分频得到。不用通过PLL/DCM产生所需时钟。在XILINX的FPGA中，禁止PLL产生的时钟直接输出到管脚上，而ALTERA的器件可以如此操作。解决此类问题的方法可通过ODDR器件通过时钟及其180度相位时钟(反向)接入的时钟管脚分别采样0、1逻辑得到。
　　因为有了DCM/PLL这些专用产生时钟的器件，似乎产生任意时钟输出都是可能是，但实际例化的结果，时钟的输出只能选取某些范围和某些频率，取决于输入时钟和分频系数，CLK_OUT = CLK_IN *(M/N) 。这些分频系数基本取整数，其产生的频率也是有限的值。
　　复位：根据复位的分类，FPGA内部复位可以分为硬复位，逻辑复位、软复位等;
　　硬复位：故名思议，即外部引脚引入的复位，可以在上电时给入，使整个FPGA逻辑配置完成后，能够达到稳定的状态，这种复位重要性在于复杂单板上除了FPGA外，可能还有多个器件(CPU、DSP)，其上电顺序不同，在未完成全部上电之前，其工作状态为不稳定状态。这种复位引脚可以通过专用时钟管脚引入，也可通过普通I/O引入，一般由单板MCU或者CPLD给出。
　　逻辑复位：则是由FPGA内部逻辑产生，例如可以通过计数产生，等待一段时间开始工作，一般等待外部某些信号准备好，另一种FPGA内部逻辑准备好的状态信号，常见的有DCM/PLL的LOCK信号;只有内部各逻辑准备好后，FPGA才能正常工作。另外FPGA内部如设计逻辑的看门狗的话，其产生的复位属于这个层次。
　　软复位：严格的说，应属于调试接口，指FPGA接收外部指令产生的复位信号，用于复位某些模块，用于定位和排除问题，也属于可测性设计的一部分。例如FPGA通过EMIF接口与CPU连接，内部设定软复位寄存器，CPU通过写此寄存器可以复位FPGA内部单元逻辑，通过写内部寄存器进行软复位，是复杂IP常用的功能接口。调试时，FPGA返回错误或无返回，通过软复位能否恢复，可以迅速定位分割问题，加快调试速度。
　　复位一般通过与或者或的方式(高电平或、低电平与)，产生统一的复位给各模块使用。模块软复位信号，只在本模块内部使用。
　　问题：同步复位好、还是异步复位好? XILINX虽然推荐同步复位，但也不一概而论，复位的目的是使整个系统处于初始状态，这根据个人写代码经验，这些操作都可以，前提是整个设计为同步设计，时钟域之间相互隔开，复位信号足够长，而不是毛刺。下面推荐一种异步复位的同步化方式，其电路图如下：
　　


　　时钟和复位基本上每个模块的基本输入，也是FPGA架构上首先要规划的部分，而不要用到才考虑，搞的整个设计到处例化DCM或者输出LOCK进行复位，这些对于工程的可维护性和问题定位都没有益处。《治家格言》说：“宜未雨而绸缪，毋临渴而掘井。这与FPGA时钟和复位的规划是同一个意思。