FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究

2023-05-04 20:11:04

前言

我曾经有一个疑问，就是为什么我明明使用了同步复位的设计，而Vivado给我生成的RTL原理图看似异步的？例如：

module syn_rst( input rst, input clk, input data_in, output out ); reg out; always@(posedge clk) begin if(rst) out <= 1b0; else out <= data_in; end endmodule

ISE生成的RTL原理图： FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究

这看上去就是一个触发器，RST是触发器的复位引脚？可是我的逻辑设计的是一个同步复位的逻辑，为什么会这样呢？你是否也有同样的疑问？我原本期待的RTL原理图类似于：

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究1

通过一个多路选择器，rst生效也需要在时钟的上升沿进行。

为此，我还在CSDN的论坛上问道过这个问题：用Verilog 设计的同步复位，综合出来的结果却是异步复位的？

当然，论坛还是不靠谱的，xia ji儿回答的居多。不过，有一个回答是正确的，看了这篇文章，你一定知道哪一个回答是正确的了。

Vivado中的触发器

给一个提示，就是这个原理图：

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究2 为什么会认为是它的RST复位端口，是异步复位呢？

这就是问题所在！

看这个寄存器的名字：RTL_REG_SYNC，SYNC是什么？是同步的含义，所以，我们有必要探究一下，Xilinx 的FPGA中的触发器？

根据Xilinx的手册WP275：可以得知，Xilinx的触发器有支持异步复位和置位控制的，也有支持同步复位与置位控制的。上述的例子就是具有同步复位端的触发器，它的特点是复位端口名称为：RST，置位端口名称为：SET，如下图：

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究3 显著的特征为触发器的名称为RTL_REG_SYNC。

而异步复位端口名称为：CLR，置位端口名称为：PRE。

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究4

且显著的特征为触发器的名称为：RTL_REG_ASYNC。

我们可以穷尽一个触发器的资源利用，例如可以同时使用同步复位，同步置位操作，也可以同时使用异步复位以及异步置位操作，但是不存在一个触发器有同步以及异步两种混合功能的情况，这是资源的特征决定的。

为了验证上述情况，我们假设一个例子，以2分频的分频器为例，讨论4种组合的情况，来看资源是如何使用的：

同步复位，同步置位

RTL描述：

always@(posedge clk) begin if(rst) begin div_clk <= 1b0; end else if(set) begin div_clk <= 1b1; end else begin div_clk <= ~div_clk; end end

RTL原理图：

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究5

可见，一个同步触发器搞定。

异步复位，异步置位

RTL描述：

always@(posedge clk or posedge rst or posedge set) begin if(rst) begin div_clk <= 1b0; end else if(set) begin div_clk <= 1b1; end else begin div_clk <= ~div_clk; end end

RTL原理图： FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究6

可见，一个异步触发器搞定！

异步复位，同步置位

RTL描述：

always@(posedge clk or posedge rst) begin if(rst) begin div_clk <= 1b0; end else if(set) begin div_clk <= 1b1; end else begin div_clk <= ~div_clk; end end

可见，异步复位，同步置位操作，使用了一个异步触发器，但是置位并没有使用异步置位端，而是通过选择器间接实现了一个同步置位的选择。符合我们的预期。

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究7

同步复位，异步置位

RTL描述：

always@(posedge clk or posedge set) begin if(rst) begin div_clk <= 1b0; end else if(set) begin div_clk <= 1b1; end else begin div_clk <= ~div_clk; end end

RTL原理图： FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究8

可见，使用了一个同步复位的触发器，且同步置位端也没有使用，而是通过一个选择器来实现，但是这种实现的方式，貌似也没有实现异步置位的操作！

我们可以通过仿真来看验证下，我们的设计是上升沿作为时钟的有效沿，仿真的时候我们在时钟的下降沿给一个置位信号，观察是否立即置位了？如果立即置位了，则表明符合预期，否则不符合我们的设计： FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究9 可见，也实现了异步置位的行为。

可见，这个RTL原理图生成的并不完美，且让人疑惑，或者什么原因，谁来解释一下也行，欢迎！

这篇文章到此也算告一段落，我们也留有些许遗憾，但没关系，总会解决的。

我们也为下一篇博文做一下考虑，就是上述讨论都只是针对RTL层面，可知对于FPGA的开发，FPGA内部实际的资源和RTL原理图中的资源并不一样，例子RTL原理图中可以使用MUX，但是FPGA内部是用LUT代替MUX的，因此，对于综合这一步的逻辑行为是什么样子的呢？针对最后一种情况，我们可以提前给出综合后的原理图：

FPGA的设计艺术（28）FPGA中的RTL原理图触发器类型探究10 可见，对于MUX以及反向器的替代，使用了一个3输入的LUT。内部的触发器也没有了同步复位端，rst以及set都作为了LUT输入的一部分。