為什么需要復位電路？

前言：

最近看到群里面有些萌新在進行討論 數(shù)字電路中的復位邏輯 ，所以專門寫一篇討論復位的文章，希望能幫助大家理解 復位 。

引言： [為什么需要 復位電路 ]

在IC設計中，把復位和時鐘電路稱為最重要的兩個電路一點也不為過。前者復位電路把IC設計的電路 引導到一個已知的狀態(tài) ，后者時鐘電路給IC設計的 電路提供澎湃的心跳動力 。同時，這兩者主要作用于 電路中的時序元件 。對于 時序元件 ，不可避免地會有一些信號時間上額外的要求。

正文：

復位電路的作用 ：

（1）在仿真時：使仿真的電路進入規(guī)定的 初始化狀態(tài)或者其他預知的狀態(tài) ，基于此狀態(tài)下，電路進行狀態(tài)變換。如果 仿真中時序元件沒有復位電路 ，從波形圖****上只能看到時序單元周圍邏輯都是X標紅的狀態(tài)。

（2）在IC設計中：復位信號可以讓設計的硬件電路進入一個 穩(wěn)定且狀態(tài)確定的狀態(tài) ，避免因為上電后電路進入到隨機的狀態(tài)而硬件死機。如果用示波器捕捉內(nèi)部時序單元的信號狀態(tài)，信號為 高低電平之一 ，只是高低電平的信號可能不符合設計的預期。

PS:對于仿真時候的信號未知X狀態(tài)和 IC設計中的高低電平 ?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在Verilog語法中，用仿真****X狀態(tài)表示**物理時序單元****電路當前狀態(tài)未知，**信號可能為高或低電平。

PS:由上，是否電路中所有的單元都需要復位信號？

答：不是，首先組合邏輯電路是不需要復位信號的。其次不需要立刻進入明確狀態(tài)的電路：數(shù)據(jù)流水線寄存器、數(shù)據(jù)移位寄存器等也不需要復位信號。

復位電路的分類 ：

對于電路中的時序元件，把復位信號受到時鐘的控制和復位信號不受時鐘的控制兩種電路分別稱為同步復位電路和 異步復位電路 。如下圖：

同步復位 ：

在同步復位的電路中，只有當時鐘到來時才會把復位或者數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)郊拇嫫鲀?nèi)部，影響寄存器內(nèi)部的狀態(tài)變換。如上圖所示，在同步復位電路中，復位信號本質(zhì)上其實就是一組 數(shù)據(jù)信號 。復位和數(shù)據(jù)信號都需要在時鐘的驅(qū)動下進行傳輸。所以此處的同步復位電路默認就有了 優(yōu)先級(時鐘>復位>數(shù)據(jù)) 。

同步復位的****優(yōu)點 ：

（1）在同步復位電路下，復位和數(shù)據(jù)信號都受到時鐘信號的控制，所以同步復位一般可以確保電路是一個同步電路 。

（2）在ASIC設計中，同步電路一般可以綜合為更小的同步觸發(fā)器（因為觸發(fā)器沒有包含復位邏輯），但是在FPGA設計中并不如此，一般FPGA的時序元件為 帶異步復位的觸發(fā)器（也有同步觸發(fā)器，視廠家而定） 。如果在FPGA設計中使用同步復位，其消耗的資源相對較多。

（3）由于觸發(fā)器的跳轉(zhuǎn)只在 時鐘的邊沿 ，所以觸發(fā)器可以在 一定程度上過濾電路毛刺 。進而如果復位由電路內(nèi)部的邏輯控制 ，在這種情況下可以在設計中使用同步復位：通過可以在一定程度上過濾電路毛刺的特性， 過濾掉內(nèi)部電路邏輯產(chǎn)生的毛刺，使設計更魯棒 。

同步復位的****缺點 ：

（1）同步復位需要 較長的保持復位狀態(tài)時間（最小也要大于時鐘周期） ，保證同步復位信號可以到達每一個寄存器并且要在有效時鐘沿之前到達（在真正設計使用的時候還需要考慮 時鐘偏斜 、組合邏輯延時、復位延時等，即： 同步復位信號時長> 時鐘周期 + 時鐘偏斜 + 組合邏輯延時 ）。

（2）在低功耗設計中，同步復位一般 不能用于門控時鐘控制的電路 。因為同步復位電路中，主要 靠時鐘驅(qū)動復位和數(shù)據(jù) 。當復位發(fā)出時，有可能 時序電路此時并沒有時鐘驅(qū)動，那么此時的復位就不能完成 。

異步復位：

擁有異步復位的寄存器在設計的時候就已經(jīng)多了一個復位引腳。通過觸發(fā)該引腳的狀態(tài)可以在 任何時候進行異步復位電路中寄存器 。此時異步復位電路的默認優(yōu)先級為：( 復位> 時鐘> 數(shù)據(jù) ）(如 上上圖 ）。

異步復位的優(yōu)點：

（1）異步復位的復位邏輯和數(shù)據(jù) 邏輯沒有任何關(guān)系 ，所以相比同步復位，能夠使數(shù)據(jù)路徑更好地收斂。（上上圖對比）

（2）不用在時鐘的控制下進行復位，所以對于剛才所提到的低功耗設計中，可以達到無時鐘復位的效果[注意：寄存器復位后的正常狀態(tài)恢復需要時鐘參與]。

異步復位的缺點 ：

（1）因為 異步復位****不受時鐘的控制 ，所以當電路復位引腳有毛刺的時候，會引起 電路的異常復位 。

（2）在異步復位的時候，如果 釋放復位信號在時鐘有效邊沿周圍 。那么 可能會引起時序單元的輸出出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，導致電路亞穩(wěn)態(tài)傳播 。如下圖：

如圖所示：

復位信號在時鐘有效沿之前Recovery Time時間內(nèi)釋放可能會 引起觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài) 。

復位信號在時鐘有效沿之后Removal ****Time時間內(nèi)釋放也可能會 引起觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài) 。

對比set up time & hold time和此處的Recovery time & ** Removal time ，可以發(fā)現(xiàn)對于觸發(fā)器來說， 輸入信號 （Data 和 RST_n）都需要 對于時鐘信號沿保持穩(wěn)定的一個時間窗口 ，否則 觸發(fā)器可能會導致亞穩(wěn)態(tài)的輸出 。為了避免觸發(fā)器的亞穩(wěn)態(tài)，就需要保證不要在觸發(fā)器**的這 幾個時間窗內(nèi)信號有變化 。

結(jié)合同步復位和異步復位的優(yōu)點可以得到：

異步復位同步釋放電路 ：如下圖

RST_n信號 同時復位這兩個觸發(fā)器 ，這一對觸發(fā)器的輸出信號****傳輸并驅(qū)動電路中的其他時序元件完成復位，最后使整個相連接的設計進行復位。

很明顯可以看出這兩個觸發(fā)器就是所謂的 同步器邏輯。 在進行數(shù)據(jù)跨時鐘處理的時候可以通過該同步器邏輯將一個時鐘域的信號傳輸?shù)搅硪粋€時鐘域。

如上圖所示：

當復位信號被撤銷時：RST_n [**0->1 ] ，此時數(shù)據(jù)VCC將在時鐘的控制下進入 主觸發(fā)器 。如果此時復位信號被撤銷時候恰好碰到時鐘的有效沿引起主觸發(fā)器** 的亞穩(wěn)態(tài) 。但是此時從觸發(fā)器在時鐘控制下，輸入的是**主觸發(fā)器輸出的復位穩(wěn)定值**。

如下圖：雖然主觸發(fā)器在T2時刻違背了復位時間窗口，輸出了Q1亞穩(wěn)態(tài)的搖擺電平 。但是從觸發(fā)器此時的數(shù)據(jù)輸入接收的還是 主觸發(fā)器輸出的Q1穩(wěn)態(tài)的復位狀態(tài)0 。所以從觸發(fā)器Q2的輸出是 穩(wěn)定的復位狀態(tài)0 。在T3時刻****主觸發(fā)器已經(jīng) 從亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)恢復 ，輸出的是穩(wěn)定的工作狀態(tài)電平了（ Q1=1 ）。T3****時刻從觸發(fā)器采樣的是穩(wěn)定的工作狀態(tài)電平，輸出也是穩(wěn)定的工作狀態(tài)電平，復位完成。

PS：有同學可能會問，RST_n既然對主觸發(fā)器****違反 復位時間窗口 ，對從觸發(fā)器來說，也一樣違反了時間窗口。那從觸發(fā)器為什么就沒有進入亞穩(wěn)態(tài)呢？

答 ：對于從觸發(fā)器來說，RST_n跳變在其復位時鐘窗口內(nèi)，所以違反了 從觸發(fā)器的復位時間窗口 ，但是從上圖可以觀察到， 從觸發(fā)器在T2時刻時鐘沿的輸入為Q1=0 ，在T1時刻時鐘沿的輸出為Q2=0，對于從觸發(fā)器來說，復位前的狀態(tài)和復位后的狀態(tài)是一樣的。寄存器內(nèi)部的鎖存器不需要跳變來更新自己的狀態(tài)。所以也就不會因為內(nèi)部鎖存器的電平跳變從而導致亞穩(wěn)態(tài)的發(fā)生。

一般來說， 完整的一顆SOC芯片內(nèi)部不止有一個時鐘 ，一般會有 多個時鐘 。所以此時 對每一個時鐘域下的Reset_n信號都有一套異步復位同步釋放邏輯 。來保證在自己的時鐘域下，復位釋放和時鐘具有同步的關(guān)系，來驅(qū)動該時鐘域下相關(guān)的邏輯和狀態(tài)的變換等操作。如下圖：

結(jié)論：

為了避免在復位釋放的時候引起電路亞穩(wěn)態(tài)，通常采用 異步復位同步釋放的電路 。有效的復位信號可以 快速復位相關(guān)聯(lián)的邏輯且不用等待時鐘的驅(qū)動 。同時復位信號經(jīng)過異步復位同步釋放的電路之后，復位信號受到時鐘信號的控制（復位信號釋放不會在時鐘沿的任意點），有效避免了因異步復位信號的移除而引起的電路亞穩(wěn)態(tài)情況的出現(xiàn)。