寄存器的基本知识

1. 寄存器的作用

1）时序逻辑存储数据。例如，一个计数器，每个周期要加1，那它就要使用寄存器实现。纯组合逻辑是实现不了的。

2）CPU和硬件协调工作，提高设计的灵活度。例如，在休眠时，我们可能会把某个模块的时钟关掉，然后在正常工作时，再将时钟打开。这个就可以通过CPU来实现。

2.基地址/偏移地址

几乎我们设计的每个模块都会有寄存器，而它们的寄存器或多或少能被CPU访问到。但CPU的接口通常只有一组总线去访问这些模块，所以设计上都会把CPU和各个模块挂到总线上。这样CPU作为Master就能够访问到所有的模块了。

那CPU的地址是怎么映射到一个具体的寄存器上的呢？这就是涉及到基地址和偏移地址的概念。首先，我们在定架构时，会做一张地址映射表格。我们就以下图为例，假设给每个外设接口都分配了32KB的地址空间，32KB占用的是15bit。所以32bit的CPU地址的高17位就是基地址，而低15位便是偏移地址。当CPU发一个0x46018000的地址下来，那么硬件会自动根据它的基地址判断它是去访问I2C的。然后根据偏移地址便可以知道是访问I2C的哪一个寄存器了。

3. 寄存器的复位

需不需要复位

如上图，就面积而言，同样的驱动等级下，带复位的寄存器要比不带复位的寄存器大。所以在实际中，为了节省面积，有些寄存器是可以不加复位的。那么，什么样的寄存器不需要复位呢？答案很简单：如果一个寄存器的值是在别的信号的控制下更新，且只有在更新后才会被使用，那么这个寄存器就可以不用复位。例如流水线的数据通路；又例如总线设计中的部分寄存器。我们以AXI总线的地址通道为例，由于addr和size这些控制信号是在valid和ready的控制下更新的。换句话说，在时钟沿下，只要valid和ready同时为高，addr和size就会马上更新；而valid和ready只要有一个不为高时，总线都不会去使用addr和size的值（此时它们的值是don’t care的）。在这个前提下，addr和size是可以不用复位的；但是valid和ready就一定要复位。参考代码如下：

不过话说回来，寄存器不加复位的设计风险会比较大，所以建议在设计初期都加上复位，后面要抠面积时，再回来修改。

同步复位or异步复位

在电路结构上，同步复位是要比异步复位多一个与门的。如果采用同步复位设计，那么就相当于每个寄存器都会多一个与门，这无疑会撑大面积。所以现在的设计基本上都是采用异步复位，然后在前面加个异步复位同步释放电路。

而由于异步复位同步释放是要在时钟下对复位打两拍，所以在一些源同步设计中，我们要特别注意的一个问题是：时序上是否允许你做同步，例如在SPI slave的设计中，假设我们使用CS进行复位。由于时钟是master发送过来的，每一个数据对应一个时钟。这时就不能用master发送过来的时钟做同步了。

复位源

一个复杂的设计中，一个寄存器可能会有很多复位源的。例如，上电复位，软复位，watchdog复位等等。因此，在设计的时候，我们要先根据功能和应用场景将寄存器分到不同的复位域。并画出具体的复位电路图，然后对着电路图来coding。

复位原因记录寄存器

当复位源很复杂时，建议在设计中加上一个寄存器。用于记录上次复位的原因，方便debug。如下图，不同的复位，该寄存器会被复位成不一样的值。另外，还可以加上一个计数器，用于记录复位的次数等。

4.寄存器的时钟域

这里的时钟域指的是，配置寄存器的时钟域和使用寄存器的时钟域。如果它们是同一个时钟域，那就没什么好顾虑的。但是如果它们属于异步时钟域。那这时候就要对寄存器做静态和动态甚至更细的划分。所谓静态寄存器是指，在使用的过程中，寄存器是不会被改变的；而在改变的过程中一定不能被使用。举个例子，假设某个模块的时钟是通过分频获得的，而分频系数可能在上电初始化后就不会再去修改，而这个模块只会在初始化完成之后才会启动工作。那么这个分频系数寄存器就可以当作是静态的。否则，这个寄存器就是动态的。

在跨时钟域处理的场景中，区分静态和动态寄存器尤为重要。例如，假设一个寄存器是在clka下配置的，却用于clkb下。这时，如果是静态寄存器，那就不需要做跨时钟域处理。因为不管clkb在哪个时刻采样，都只能采到固定值；而动态寄存器可能在采样时发生变化，从而导致亚稳态的出现。当然，也有人为了保险起见，不管是静态和动态寄存器，都统一做跨时钟域处理了。

5.访问权限

寄存器的访问权限类型多种多样，包括但不局限于下图。我们在设计中要考虑的是，哪些寄存器是CPU能否访问的，哪些寄存器是硬件能够访问的。尤其是在安全相关的设计中（例如安全boot），要特别重视这访问权限。因为CPU能读到的东西，随时都会被别人看到。

访问权限在寄存器描述文档中是必不可缺的。下面给出一个参考格式。

6.Byte mask

CPU访问寄存器的数据总线要么是32bit，要么是64bit。也就是说数据总线会是多byte的。如果没有byte mask，那么CPU在修改某一byte时，要做读改写的操作。所以通常在设计中，我们会给寄存器加上byte mask的属性。例如，寄存器是32bit的，那么可以通过4bit的byte_en来控制写。

7.多路访问源仲裁

一个寄存器有多个访问源的场景很常见。例如，CPU和其它硬件都可以访问；又例如多个CPU可以访问。我们举个例子，假设模块A和模块B都有一个SPI控制器，但是它们共用一组IO，并使用一个寄存器spi_switch来选择是模块A还是模块B的控制器接到IO中。而好死不死spi_switch又正好能够被两个CPU配置。那么，假设CPU0把IO交给了模块A，如果模块A在使用SPI传输的过程中，CPU1把IO切到了模块B，这就出问题了。那么只是在寄存器spi_switch的设计上下功夫，该如何设计才能避免上面的问题呢？答案是有的，但我要卖个关子，你们自己想去吧。

8.保留寄存器

在实际项目中，固件的完成时间往往要落后于RTL设计，你总会遇到tapeout了，固件还在设计的情况。也就是说，我们在设计RTL时，有可能固件的一些功能或架构还不够明确。所以我们在设计时，可视情况，预留多一些寄存器，这些寄存器在RTL设计时还没有明确的功能，因此，我管它们叫做保留寄存器（reserved寄存器），如下图。万一固件哪天需要使用寄存器来做标记，直接使用这些保留寄存器即可。

9.寄存器和RAM之间的选择

项目中使用到memory做缓存是家常便饭。而从实现的角度来看，这些memory可通过寄存器来实现，也可以通过调用RAM来实现。选择寄存器和RAM需要考虑三点：

1）面积。一般小的memory可以使用寄存器搭；而较大的memory使用RAM搭比较换算。两者选择的边界很难分清，需要根据具体工艺来评估。

2）因为寄存器的读取是单拍就出来了，而RAM的读取要等下一拍才出来。所以在做选择时，我们要先看看是否允许数据下一拍出来。

3）RAM的读latency很大，它有可能是项目timing的瓶颈。尤其是RAM比较大，或者RAM的访问源比较多的时候。在评估时，可是打开RAM的library，来查看具体的latency。

10.默认值

设置寄存器的默认值也是一门艺术。这里列几个我暂时还记得的规则：

1） IO驱动的默认值不要给太小。

2） MCU复位自己的软复位寄存器的默认值不能有效。否则，复位状态下，MCU根本就动不起来，更别说去释放软复位了。

3）时钟gate相关寄存器要防止死锁。举个极端的例子，假设MCU的时钟gate是通过MCU自己配置寄存器来控制的。那么这个gate寄存器的默认值就是要开启的。否则复位后，时钟会被gate住，MCU根本就动不起来。

11.寄存器复用

还是为了那该死的面积。举个例子，假设一个系统是半双工的，也就是说同一时间只能读或者只能写。那么读跟写是可以共用一部分寄存器的。

12.寄存器访问接口

比较常见的寄存器接口有三个：

1.APB总线

2.AHB总线

3.用户自定义的总线

具体的设计实例，去知识星球看I2C控制器的代码吧。

13.寄存器文档和代码自动生成

手敲寄存器代码，MAS文档和代码分开维护都是蛋疼的事情。所以很多公司都只会维护一张excel表格，并在excel表格的寄存上生成MAS和代码，甚至是C语言头文件和寄存器RALF文件。这个具体的脚本还在开发中，后面会更新到知识星球。

14.寄存器的setup和hold time

请看我之前写的这篇文章《从寄存器结构上理解setup和hold time》

目前只想到这些了，洗洗睡吧

审核编辑：汤梓红