概述
目录
- 前言
- 同步复位
- 异步复位
- 异步复位同步释放
- 多时钟域下异步复位同步释放
- 总结
- Reference
前言
电路的任何一个寄存器、存储器结构和其他时序单元都必须附加复位逻辑电路，以保证电路能够从错误状态中恢复、可靠地工作。对于综合实现的真实电路，通过复位使电路进入初始状态或者其他预知状态。复位在数字IC设计中是不可缺少的一部分，故一定要清楚掌握深入理解复位的作用。
同步复位
先看一个简单的同步复位的D触发器，Verilog代码如下：
module Sync_rst (
input clk,
input rst, // Synchronous reset
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always@(posedge clk) begin
if (!rst) q <= 8'b0;
else q <= d;
end
endmodule
得到的电路图如下：
同步复位的优点：
-
抗干扰性高，可以剔除复位信号中周期短于时钟周期的毛刺；
-
电路稳定性强。
同步复位缺点：
-
大多数逻辑器件的目标库内的DFF都只有异步复位端口，适用同步复位时，综合器就会在寄存器的数据输入端插入组合逻辑，占用更多的逻辑资源；
-
同步复位依赖于时钟，如果电路中的时钟信号出现问题，无法完成复位。
-
对复位信号的脉冲宽度有要求，必须大于指定的时钟周期，由于线路上的延迟，可能需要多个时钟周期的复位脉冲宽度，且很难保证复位信号到达各个寄存器的时序。
异步复位
先看一个简单的异步复位的D触发器，Verilog代码如下：
module Async_rst (
input clk,
input rst_n, // asynchronous reset
input [7:0] d,
output reg [7:0] q
);
always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (!rst_n) q <= 8'b0;
else q <= d;
end
endmodule
异步复位的优点：
-
无需额外的逻辑资源，实现简单；
-
复位信号不依赖于时钟。
异步复位缺点：
-
复位信号容易受到外界的干扰，如毛刺等影响；
-
复位信号释放的随机性，可能导致时序违规，倘若复位释放时恰恰在时钟有效沿附近，就很容易使电路处于亚稳态，如下图所示：
异步复位同步释放
先看一个异步复位同步释放的Verilog代码：
module Rst_gen (
input clk,
input rst_async_n,
output reg rst_sync_n
);
reg rst_s1;
always @(posedge clk or negedge rst_async_n) begin
if(!rst_async_n) begin
rst_s1 <= 1'b0;
rst_sync_n <= 1'b0;
end
else begin
rst_s1 <= 1'b1;
rst_sync_n <= rst_s1;
end
end
endmodule
得到的电路图如下：
1、异步复位，同步释放的含义
异步复位：就是复位信号可以直接不受时钟信号影响，在任意时刻只要是低电平就能复位，即复位信号不需要和时钟同步。上图中，当rst_async_n有效时，第一个D触发器的输出是低电平，第二个D触发器的输出rst_sync_n也是低电平，第二个方框中的异步复位端口有效，输出被复位。
同步释放：让复位信号取消的时候，必须跟时钟信号同步，即刚好跟时钟同沿。上图中，假设rst_async_n撤除时发生在clk上升沿，如果不加此电路则可能发生亚稳态事件（有的时候会打三拍）。但是加上此电路以后，假设第一级D触发器clk上升沿时rst_async_n正好撤除，则D触发器1可能输出高电平“1”，也可能输出亚稳态，也可能输出低电平。但此时第二级触发器不会立刻更新输出，第二级触发器输出值为前一级触发器Q1的输出状态。显然Q1之前为低电平，故第二级触发器输出保持复位低电平。直到下一个时钟有效沿到来之后，才随着变为高电平。即实现同步释放。
2、异步复位，同步释放的优点
- 避免复位信号释放的时候造成亚稳态问题
- 只要复位信号一有效，电路就处于复位状态，与时钟沿无关
- 有效捕捉复位，即使是短脉冲复位也不会丢失
- 有明确的复位撤销行为，复位的撤离是同步信号，因此有良好的的撤离时序和足够的恢复时间
- 用两级触发器打两拍的方法解决亚稳态的问题
3、为何代码中第一级触发器的数据端口是1’b1，而不是rst_async_n？
如果是rst_async_n，则生成的电路如图如下：
如果是1’b1，则生成的电路图如下：
显然第二种方法更好，因为本身复位是高扇出信号，第二种方法可以减小复位信号的扇出数，1’b1意思是直接接电源，节省资源，这样可以使电路性能更好。
多时钟域下异步复位同步释放
因为异步复位，同步释放中复位释放需要与时钟同步，故不同的时钟域时，有两种办法解决这个问题：
1、非协调的复位撤销
使用每个时钟搭建自己的复位同步器即可，如下图所示：
Verilog代码如下：
module CLOCK_RESET(
input rst_n,
input aclk,
input bclk,
input cclk,
output reg arst_n,
output reg brst_n,
output reg crst_n
);
reg arst_n0,arst_n1;
reg brst_n0,brst_n1;
reg crst_n0,crst_n1;
always @(posedge aclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
arst_n0<=1'b1;
arst_n1<=1'b0;
arst_n<=1'b0;
end
else begin
arst_n<=arst_n1;
arst_n1<=arst_n0;
end
always @(posedge bclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
brst_n0<=1'b1;
brst_n1<=1'b0;
brst_n<=1'b0;
end
else begin
brst_n<=brst_n1;
brst_n1<=brst_n0;
end
always @(posedge cclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
crst_n0<=1'b1;
crst_n1<=1'b0;
crst_n<=1'b0;
end
else begin
crst_n<=crst_n1;
crst_n1<=crst_n0;
end
endmodule
2、 顺序协调的复位撤销
当多个时钟域之间对复位释放的时间有顺序要求时，将复位同步器级联起来就可以构成多个时钟域按顺序的复位释放，如下图所示：
Verilog代码如下：
module CLOCK_RESET(
input rst_n,
input aclk,
input bclk,
input cclk,
output reg arst_n,
output reg brst_n,
output reg crst_n
);
reg arst_n0,arst_n1;
reg brst_n0,brst_n1;
reg crst_n0,crst_n1;
always @(posedge aclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
arst_n0<=1'b1;
arst_n1<=1'b0;
arst_n<=1'b0;
end
else begin
arst_n<=arst_n1;
arst_n1<=arst_n0;
end
always @(posedge bclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
brst_n1<=1'b0;
brst_n<=1'b0;
end
else begin
brst_n<=brst_n1;
brst_n1<=arst_n;
end
always @(posedge cclk or negedge rst_n)
if(rst_n==0) begin
crst_n1<=1'b0;
crst_n<=1'b0;
end
else begin
crst_n<=crst_n1;
crst_n1<=brst_n;
end
endmodule
总结
不同的复位方式有各自的优缺点，但是在工程中，一般都用异步复位的方法，最好是异步复位同步释放的方法。
Reference
https://blog.csdn.net/weixin_42300424/article/details/113411438.
https://cloud.tencent.com/developer/article/1830029.
最后
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