三叔学FPGA系列之二：Cyclone V中的POR、配置、初始化，以及复位

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对于FPGA内部的复位，之前一直比较迷，这两天仔细研究官方数据手册，解开了心中的诸多疑惑，感觉自己又进步了呢.....

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原创不易，转载请转原文，注明出处，谢谢。

 

一、关于POR（Power-On Reset ）

FPGA在上电工作时，会先进入复位模式，将所有RAM位清除，并通过内部弱上拉电阻将用户I/O置为三态。接着依次完成 配置、初始化工作，如果这一切都顺利，就进入用户模式，FPGA会根据用户所编写的时序逻辑开始工作。

二、FPGA上电工作过程详解

从第一条我们知道，FPGA从上电到进入用户模式，会有一个过程。就不放时序图恶心人了，直接上干货，如图1所示。

图1

过程详解

1. 上电触发一个复位事件，拉低nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE、INIT_DONE引脚，清除RAM位，三态用户I/O，进入复位；
2. 复位过程中，控制逻辑检测所有供电电压，当他们在规定时间达到规定值，并稳定下来，则进入配置，否则就需要用户通过重新拉低nCONFIG足够时间等待电压达标，优秀的电源设计对数字电路是很重要的；
3. 复位顺利完成，则依次释放nCONFIG、nSTATUS，让它们被上拉电阻拉高，进入配置，配置模式必须和MSEL[4:0]的设置必须匹配，编写的逻辑电路由quartus生成配置文件，在这个时候烧写到FPGA中，这过程叫做配置，常用的配置方式有JTAG在线模式，和EPCS/EPCQ配置模式；
4. 配置成功，则释放CONF_DONE，进入初始化，初始化是按照用户意图将各寄存器置位成预期值；
5. 初始化完成，则释放INIT_DONE，进入用户模式，系统按照既定时序开始运转。

*****注意*****

• 电源不稳，后面一切免谈，电源质量好，后面一切应该也顺利；
• 设计硬件电路时，nCONFIG、nSTATUS、CONF_DONE必须上拉，因为初始化完成就万事大吉了，所以INIT_DONE不用管，配置完成后当做普通I/O用；
• MSEL[4:0]设置；
• 设计硬件电路时，要注意配置FLASH和FPGA连接，以及JTAG端口的设计，硬件错了就白瞎；

三、关于FPGA的复位

如前所述，我们已经知道，每次上电工作，FPGA必定进行复位、初始化等操作。所以理论上，后续工作工程中，FPGA是不需要复位的，尤其是全局复位。但是，一方面为了保险起见应该进行局部复位和寄存器初始化（在时序过程中的任意时刻赋值），保证寄存器中的值是我们期望的值，而且某些IP核在工作前也必须复位；另一方面，电路中难免出现亚稳态等，使系统工作异常，这就需要形成一种机制，触发一个复位事件，使系统进入 “复位—>配置—>初始化—>用户模式” 这一过程。

所以有：

1. 在 “三叔学FPGA系列之一：Cyclone V中的时钟资源” 一文中一提到，全局时钟布线资源通常非常有限，而全局复位用的也是全局时钟的布线资源，所以能不用全局复位尽量别用，用局部复位就行了，也就是不要在所有always中都用同一个rst_n，可以通过内部逻辑生成多个局部复位信号rstn0，rstn1，rstn2.....
2. 在硬件电路设计时，Cyclone V以前的FPGA都有RESET引脚，但设计手册中别没有说这个引脚一定要用作复位，可以当做普通I/O用，在Cyclone V中RESET引脚被取消了。我的理解是：RESET引脚的作用有两点，一是为了在系统运行过程中出现异常时，可以手动按钮之类的触发一个复位事件，使系统复位；二是采用电容延时的方式，强制增加上电复位时间，确保复位成功。当上诉两方面都没有太大必要的情况下，RESET引脚就没什么用了，所以Intel牛B，在Cyclone V中直接去掉RESET引脚（个人猜想，未到技术区求证）；
3. 再次说明，RESET≠全局复位，实现全局复位有一万种方法，比如通过内部逻辑，或者通过matlab控制串口等等；
4. 关于是否使用全局复位，网上众说纷纭，Intel也没有官方说法。我的理解是，看个人的系统情况。比如：全局时钟本来就紧张，那么就pass全局复位，用局部复位，反之资源充足，用全局复位。

四、验证后再来更新

关于第三节的内容，很多都是我个人的猜想，但是也是参考了官方手册，以及个人项目开发中的经验，准确率十之八九，后续验证后再来更新。

关于上述疑问，2018年11月3日续更

1. 硬件设计没问题，时钟没问题，电源也没问题，理论上FPGA系统已经可以正常复位、配置、初始化、并工作了，接下来就逻辑设计的优劣问题；
2. 有了第1条，FPGA中确实没必要使用全局复位，对于需要复位的模块，通过一定方法让它产生一种错误反馈机制，并触发一个局部复位就行了；
3. 全局时钟都干掉了，专门的复位引脚也没有太大意义，它的作用不同于POR中的复位，仅仅是在已经初始化并进入用户模式的FPGA中产生一个复位信号而已，并不能起到上电复位的效果，这个效果，有局部复位就搞定了！要是系统死机了，复位引脚也无能为力，这需要可靠的逻辑电路设计来保障！
4. 还是那句话，资源充足的土豪根本不需要纠结，随意作！我这么深究也是作，加深理解没错~

关于上述疑问，2018年11月21日续更

1. 经过验证，全局复位信号是必须的，全局复位引脚非必须（可用内部电路代替）；
2. 全局复位是为了等到所有寄存器被初始化赋值并稳定下来，再按照时钟整齐划一地读写，否则必定产生亚稳态，因为时钟的稳定必定先于寄存器的稳定；
3. 上述内容已在cyclone V中已验证，延时时间要具体看工程复杂度、需要初始化的寄存器数量==，复位时间不够，必定产生亚稳态；
4. 为了踩平这个坑，花了我两天时间。。。但是值！
5. 亚稳态往往是万恶之源，切记切记。