浅谈FPGA/CPLD的复位电路设计

### 浅谈FPGA/CPLD的复位电路设计 #### 摘要 本文将深入探讨FPGA/CPLD中的复位电路设计问题。复位电路是集成电路设计中的一个重要组成部分，它确保了系统能够在启动时处于一个已知的稳定状态。文章首先介绍了复位的基本概念，接着详细分析了异步复位与同步复位的区别及其对电路性能的影响，并给出了针对FPGA和CPLD的内部自复位设计方案。 #### 1. 定义 复位信号是一种脉冲信号，其功能是将电路中的寄存器初始化为预设状态。为了确保复位信号的有效性，脉冲的有效时间长度需要大于信号到达寄存器的最大延迟时间。这有助于保证复位操作的可靠性。 #### 2. 分类及不同复位设计的影响 根据信号处理方式的不同，复位可以分为两种类型：异步复位和同步复位。 - **异步复位**：复位信号不受时钟信号的控制，电路对复位信号非常敏感，任何干扰都可能导致复位操作发生。这种类型的复位容易受到噪声的影响，特别是在PCB布局设计时，需要特别注意复位信号线的布线，以防信号干扰导致的误复位。 - **同步复位**：电路只有在时钟信号的有效边沿才会对复位信号做出响应。即使复位信号受到干扰，只要干扰不在时钟边沿附近发生，电路就不会被异常复位。这种方式提高了系统的抗干扰能力，降低了误操作的可能性。 在FPGA/CPLD设计中，如果复位信号是由组合逻辑产生的，则可能会因为组合逻辑的竞争冒险而产生毛刺，导致异步复位的电路误触发。为了避免这种情况，可以通过同步化复位信号来减少误操作的风险。具体做法是设计一个复位模块，该模块接收原始的复位信号，并生成一个新的同步化的复位信号，供其他模块使用。 #### 3. FPGA内部自复位方法 在FPGA设计中，内部自复位信号是一种在器件上电后仅产生一次的信号，随后保持无效直至器件掉电。由于FPGA内部寄存器的上电状态是不确定的，因此不适合直接用于产生复位信号。然而，大多数FPGA都集成了RAM资源，这些RAM可以在上电配置后被初始化为特定值。基于此特性，可以通过以下步骤设计一个可靠的内部自复位信号： 1. **配置RAM**：配置一个1位数据长度、n位地址长度的单口RAM，并将所有数据位初始化为1。 2. **设计读写模块**：创建一个读写模块，该模块包含一个n位的读指针(rp)和一个n位的写指针(wp)。rp在每个时钟周期将其值赋予wp后自增，从而始终保持rp领先于wp。将RAM的输出数据作为复位信号，RAM的输入数据固定为0。通过这种方式，RAM的数据从全1逐渐变为全0，实现了复位脉冲信号的生成。 - **脉冲宽度控制**：通过调整地址长度n或时钟频率，可以精确控制复位脉冲的宽度。 #### 4. CPLD内部自复位方法 与FPGA不同，CPLD内部通常不包含RAM资源，因此不能直接利用RAM来生成内部复位信号。不过，可以设计一个有限状态机(FSM)来实现内部自复位。这种方法虽然存在一定的失败概率，但可以通过调整状态机的复杂度来控制这个概率。 1. **设计有限状态机**：设计一个n位的状态机，其中一个状态表示复位结束(LOOP)，其他状态则表示复位状态(RESET)。一旦进入LOOP状态，就会保持不变。RESET状态是一个暂态状态，会在一个时钟周期后进入LOOP状态。通过控制状态机的大小(n)，可以将复位失败的概率控制在一个可接受的范围内。 2. **利用特定CPLD特性**：值得注意的是，某些CPLD产品在其手册中指出，在完成内部配置后，所有的寄存器都会被清零。这意味着在上电后，寄存器具有一个确定的初始状态。利用这一特性，可以简化内部自复位信号的设计过程。 #### 结论 FPGA/CPLD的复位电路设计是一个复杂但至关重要的环节。合理选择复位方式(异步或同步)、精心设计内部自复位方案，以及充分利用FPGA/CPLD的内部资源，都能够提高系统的稳定性和可靠性。通过对本文所述内容的理解和实践，设计师们可以更好地应对复位电路设计中的挑战，优化FPGA/CPLD设计的整体性能。