对FPGA加载过程中不同寄存器初始化方式现象的分析

概述

目的

本文档针对FPGA上电加载过程中不同寄存器初始化方式的现象进行分析。

术语和缩略语

无

参考资料

• 《ug470_7Series_Config》 Xilinx

相关原理

FPGA加载过程中非专用配置I/O引脚电平受PUDC_B配置引脚状态影响。PUDC_B 引脚为FPGA配置期间I/O引脚内部上拉电阻使能，低有效。该引脚不可悬空，可以通过小于等于1kΩ的电阻接GND或者VCCO_14。

• 如果PUDC_B引脚为低电平，配置期间所有非专用配置I/O引脚为高电平状态；

• 如果PUDC_B引脚为高电平，配置期间所有非专用配置I/O引脚为高阻态。

分析

针对寄存器初始化方式对寄存器输出值的影响，分以下四种情况进行分析：

a) 声明信号时进行初始化；

b) 同步复位/置位初始化；

c) 异步复位/置位初始化；

d) 不进行任何初始化操作，Vivado 自动生成。

MMCM时钟锁定分析

通过图 2、图 3可知，MMCM输出时钟在FPGA加载完成指示信号（config_done）置位后12us开始输出，但是MMCM锁定信号locked在config_done信号置位后40us才置位。

• 0时刻：config_done信号置位；
• 12us：MMCM开始输出时钟；
• 40us：MMCM的locked置位，时钟锁定。

声明信号时进行初始化

RTL测试代码

signal a_init_0 : std_logic := '0';
signal a_init_1 : std_logic := '1';

--信号声明时进行初始化
process (clk_out1_50MHz) begin
    if rising_edge (clk_out1_50MHz) then
        a_init_0 <= '1';
    	a_init_1 <= '0';
    end if;
end process;

示波器现象

通过图 5 可知，只在信号声明时初始化的信号，当config_done置位后变为初始状态，但只要有时钟，不管时钟是否锁定都会根据RTL代码对寄存器重新赋值。

• 0时刻：config_done 信号置位；a_init_0 初始化为 ‘0’；a_init_1 初始化为 ‘1’；

• 12us：MMCM 开始输出时钟，此时根据 RTL 代码 a_init_0 变为 ‘1’；a_init_1 变为 ‘0’。

同步复位/置位初始化

RTL测试代码

signal a_srst_0 : std_logic;
signal a_srst_1 : std_logic;

--同步复位/置位初始化
process (clk_out1_50MHz) begin
   if rising_edge (clk_out1_50MHz) then
       if (locked = '0') then
           a_srst_0 <= '0';
           a_srst_1 <= '1';
   	else
           a_srst_0 <= '1';
           a_srst_1 <= '0';
       end if;
   end if;
end process;

示波器现象

通过图 7可知，同步复位/置位的信号在config_done置位后&&时钟产生之前初始值都默认为低电平，时钟产生之后到locked置位前才是同步复位/置位状态。

• 0时刻：config_done 信号置位；a_srst_0、a_srst_1 默认值均为 ‘0’；

• 12us：MMCM 开始输出时钟；a_srst_0 同步初始化为 ‘0’；a_srst_1 同步初始化为 ‘1’；

• 40us：MMCM 的 locked 置位，时钟锁定；此时根据 RTL 代码 a_ srst_0 变为 ‘1’；a_ srst_1 变为 ‘0’。

异步复位/置位初始化

RTL测试代码

signal a_arst_0 : std_logic;
signal a_arst_1 : std_logic;

--异步复位/置位初始化
process (clk_out1_50MHz,locked) begin
    if rising_edge (clk_out1_50MHz) then
        if (locked = '0') then
            a_arst_0 <= '0';
            a_arst_1 <= '1';
    	else
            a_arst_0 <= '1';
            a_arst_1 <= '0';
        end if;
    end 

示波器现象

通过图 9 可知，异步复位/置位在 config_done 置位后 && locked 置位前即为同步复位/置位状态。

• 0时刻：config_done 信号置位；a_arst_0 异步初始化为 ‘0’；a_arst_1 异步初始化为 ‘1’；

• 40us：MMCM 的 locked 置位，时钟锁定；此时根据 RTL 代码 a_ arst_0 变为 ‘1’；a_ arst_1 变为 ‘0’。

不进行任何初始化操作，Vivado自动生成

RTL测试代码

signal a_0 : std_logic;
signal a_1 : std_logic;

--不进行初始化
process (clk_out1_50MHz) begin
    if rising_edge (clk_out1_50MHz) then
        a_0 <= '1';
        a_1 <= '0';
    end if;
end process;

示波器现象

通过图 11可知，未初始化的信号在 config_done 置位后 && 时钟产生之前初始值都默认为低电平，时钟产生之后则为 RTL 逻辑状态。

结论

a) 逻辑开发前需先确定硬件状态，FPGA 配置引脚 PUDC_B 不可悬空，根据需要上拉或者下拉；

b) 在不进行初始化情况下，Xilinx 编译软件 Vivado 默认所有寄存器初始化为低电平；

c) 异步初始化和信号声明初始化均在 config_done 置位后生效；而同步初始化和不初始化信号在存在时钟之后&&locked置位之前生效。