異步復(fù)位的優(yōu)缺點(diǎn)

「異步復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)：」

1. 大多數(shù)目標(biāo)器件庫(kù)的DFF都有異步復(fù)位端口，因此采用異步復(fù)位可以節(jié)省資源。
2. 設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，異步復(fù)位信號(hào)識(shí)別方便，而且可以很方便的使用FPGA的全局復(fù)位端口GSR。

「異步復(fù)位電路的缺點(diǎn)：」

所有異步信號(hào)的缺點(diǎn)也同時(shí)等效是異步復(fù)位信號(hào)的問(wèn)題，復(fù)位信號(hào)從本質(zhì)講就是一個(gè)頻繁使用的控制信號(hào)，因此可以總結(jié)其缺點(diǎn)如下。

1. 復(fù)位信號(hào)容易受到毛刺的影響；
2. 因?yàn)槭钱惒竭壿嫞瑹o(wú)法避免地存在亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。
3. 靜態(tài)定時(shí)分析比較困難，靜態(tài)時(shí)序分析一般是針對(duì)同步設(shè)計(jì)的，都是基于時(shí)鐘周期來(lái)分析時(shí)序的。
4. 對(duì)于 DFT（可測(cè)性設(shè)計(jì)）設(shè)計(jì)，如果復(fù)位信號(hào)不是直接來(lái)自于 I/O 引腳，在 DFT 掃描 和測(cè)試時(shí)，復(fù)位信號(hào)必須被禁止，因此需要額外的同步電路。

復(fù)位信號(hào)的“建立時(shí)間”與“保持時(shí)間”

由于復(fù)位信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)D觸發(fā)器的控制（置位信號(hào)同理），所以但是本質(zhì)上也是實(shí)現(xiàn)了控制相關(guān)物理電路進(jìn)行開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)置位或者復(fù)位，由于異步復(fù)位與系統(tǒng)時(shí)鐘毫無(wú)關(guān)系，不考慮其余因素時(shí)，異步復(fù)位可以在任意時(shí)刻撤除。但復(fù)位信號(hào)恰好在時(shí)鐘沿附近時(shí)，復(fù)位（置位）信號(hào)同樣也要滿足相應(yīng)的“亞穩(wěn)態(tài)窗口”的不能移除的需求，滿足寄存器的“建立時(shí)間”與“保持時(shí)間”。

?「恢復(fù)時(shí)間：」 如果復(fù)位信號(hào)在時(shí)鐘有效沿之前撤消，并且離時(shí)鐘有效沿非常接近，再加上時(shí)鐘有效沿到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器有一定時(shí)間差(clock skew)，那么極有可能一部份觸發(fā)器仍處于復(fù)位狀態(tài)中而對(duì)時(shí)鐘沿沒(méi)有響應(yīng)，而一部份觸發(fā)器對(duì)時(shí)鐘有響應(yīng)，那么從這一個(gè)時(shí)鐘開(kāi)始，電路的狀態(tài)已經(jīng)出錯(cuò)了。

「移除時(shí)間：」 如果復(fù)位信號(hào)在時(shí)鐘有效沿之后撤消，并且離時(shí)鐘有效沿非常接近，再加上時(shí)鐘有效沿到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器有一定時(shí)間差(clock skew)，那么極有可能一部份觸發(fā)器從復(fù)位狀態(tài)中恢復(fù)并響應(yīng)了時(shí)鐘，而一部份觸發(fā)器沒(méi)有響應(yīng)，那么從這一個(gè)時(shí)鐘開(kāi)始，電路的狀態(tài)已經(jīng)出錯(cuò)了。

?

下圖中異步復(fù)位信號(hào)有足夠的恢復(fù)時(shí)間，異步復(fù)位能正常釋放。

當(dāng)異步復(fù)位信號(hào)在時(shí)鐘上升沿附近撤除時(shí)，導(dǎo)致觸發(fā)器的輸出為亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)前文已經(jīng)討論過(guò)了，亞穩(wěn)態(tài)在電路中的危害是顯而易見(jiàn)的。

恢復(fù)時(shí)間不足造成的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題

?如果你想讓某個(gè)時(shí)鐘沿起作用，那么你就應(yīng)該在 “恢復(fù)時(shí)間” 之前是異步控制信號(hào)變無(wú)效；如果你想讓某個(gè)時(shí)鐘沿不起作用，那么你就應(yīng)該在 “去除時(shí)間” 過(guò)后使控制信號(hào)變無(wú)效。

?

我覺(jué)得這里其實(shí)本質(zhì)上就是要避開(kāi)觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間，避免在亞穩(wěn)態(tài)窗口附近寄存器的雙鎖存結(jié)構(gòu)和復(fù)位結(jié)構(gòu)同時(shí)作用，這將會(huì)引入亞穩(wěn)態(tài)。

異步復(fù)位同步釋放

異步確立和同步釋放的復(fù)位電路通常會(huì)提供比完全異步或完全同步復(fù)位更可靠的復(fù)位。

電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：

異步復(fù)位同步釋放電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)結(jié)構(gòu)可寫(xiě)出代碼如下：

module reset_async_and_free_sync(
    input clk,
    input rst_n,
    input [1:0] in,
    output reg [1:0] out
    );
    reg rst_n_dly0,rst_n_dly1;
    
    always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (rst_n == 'b0)begin
            rst_n_dly0 <= 'd0 ;
            rst_n_dly1 <= 'd0 ;
        end
        else begin
            rst_n_dly0 <= 'd1 ;
            rst_n_dly1 <= rst_n_dly0;
        end
    end
    wire rstn = rst_n_dly1;
    always @ (posedge clk or negedge rstn) begin
        if (rstn == 'b0)
            out <= 'd0 ;
        else 
            out <= in ;
    end
endmodule

在使用vivado對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如下：

使用vivado綜合后結(jié)構(gòu)如下：

異步復(fù)位、同步釋放優(yōu)點(diǎn)

異步復(fù)位、同步釋放具有異步復(fù)位和同步的優(yōu)點(diǎn)，主要是：

1. 快速?gòu)?fù)位。只要復(fù)位信號(hào)一有效,電路就處于復(fù)位狀態(tài)。
2. 有效捕捉復(fù)位。即使是短脈寬復(fù)位也不會(huì)丟失。
3. 有明確的復(fù)位撤銷(xiāo)行為。復(fù)位的撤離是同步信號(hào)，因此有良好的撤離時(shí)序和足夠的恢復(fù)時(shí)間。

過(guò)濾復(fù)位毛刺

異步復(fù)位對(duì)毛刺很敏感，這就意味著任何滿足觸發(fā)器最小復(fù)位脈沖寬度的輸入都能引起觸發(fā)器復(fù)位。如果復(fù)位線受到毛刺的影響，這就真的成為問(wèn)題了。在設(shè)計(jì)中，可能沒(méi)有足夠高頻的采樣時(shí)鐘來(lái)檢測(cè)復(fù)位上的小毛刺；下面將會(huì)介紹過(guò)濾掉毛刺的方法。該方法需要一個(gè)數(shù)字延時(shí)來(lái)過(guò)濾毛刺。復(fù)位輸入引腳也必須是施密特觸發(fā)器引腳才有助于毛刺過(guò)濾。下圖顯示了復(fù)位毛刺濾波器的電路和時(shí)序圖。

復(fù)位毛刺過(guò)濾

為了加人延時(shí)，一些生產(chǎn)商提供了用于延遲且能夠手動(dòng)實(shí)例化的宏單元。如果沒(méi)有這樣的宏單元，設(shè)計(jì)人員就需要在優(yōu)化后的已綜合設(shè)計(jì)中手動(dòng)加入延時(shí)。第二種方法需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)包含較慢緩沖器的模塊，再多次實(shí)例化該模塊以達(dá)到所期望的延遲。基于這種思想，可以產(chǎn)生許多變種的解決辦法。

由于該方法使用了延遲鏈，因此一個(gè)缺點(diǎn)是所產(chǎn)生的延遲會(huì)隨著溫度、電壓和工藝而變化。必須注意確保延遲在所有PVT環(huán)境下都能滿足設(shè)計(jì)要求。

不“復(fù)位” 可以嗎？

如果針對(duì)Xilinx FPGA的設(shè)計(jì)應(yīng)用，我覺(jué)得不進(jìn)行 “復(fù)位” 是可以的，不必要的數(shù)據(jù)信號(hào)可以不進(jìn)行“復(fù)位”，這樣可以節(jié)省資源，在xilinx的白皮書(shū)中也是這樣建議的：

?當(dāng)一個(gè)Xilinx的FPGA芯片被重新配置時(shí)，每一個(gè)單元都將被初始化。在某種意義上講，這是一個(gè)上電之后的“終極的”全局復(fù)位操作，因?yàn)樗粌H僅是對(duì)所有的觸發(fā)器進(jìn)行了復(fù)位操作，還初始化了所有的RAM單元。隨著Xilinx FPGA芯片內(nèi)部的嵌入式RAM資源越來(lái)越多，這種“終極的”全局復(fù)位操作越來(lái)越有意義。對(duì)所有的RAM單元進(jìn)行預(yù)定義，在軟件仿真和實(shí)際操作中都是非常有幫助的，因?yàn)檫@樣避免了在上電時(shí)采用復(fù)雜的啟動(dòng)順序來(lái)清除存儲(chǔ)單元內(nèi)容的操作。

?

通?？梢詫⒃O(shè)計(jì)分為兩部分，控制路徑和數(shù)據(jù)路徑

• 部分?jǐn)?shù)據(jù)路徑的初始值并不重要，此時(shí)的重置是不必要的。
• 只在設(shè)計(jì)中需要獲得有效幀信號(hào)或設(shè)計(jì)回到已知良好狀態(tài)的部分使用外部復(fù)位。

雖然在這里提到了不進(jìn)行復(fù)位，但是不得不注意的是Xilinx的FPGA在上電后會(huì)對(duì)芯片內(nèi)的資源進(jìn)行復(fù)位，所以即使相關(guān)寄存器不進(jìn)行復(fù)位，在芯片上電后也是能知道恢復(fù)到了芯片設(shè)置的默認(rèn)狀態(tài)的。在xilinx平臺(tái)，部分復(fù)位設(shè)計(jì)實(shí)際是沒(méi)有多大意義的。

無(wú)復(fù)位電路

編寫(xiě)代碼使得輸入做一級(jí)寄存處理，然后再將寄存輸出的結(jié)果輸出給out寄存器，此時(shí)對(duì)out這個(gè)寄存器不做復(fù)位處理。編寫(xiě)代碼如下：

module noreset(
    input clk,
    input rst_n,
    input [1:0] in,
    output reg [1:0] out
    );
    
    reg [1:0] in_r;
    always @ (posedge clk) begin
        if (rst_n == 'b0)begin
            in_r <= 'd0 ;
            //out <= 'd0 ;
        end
        else begin
            in_r <= in;
            out <= in_r;
        end
    end

endmodule

在使用vivado RTL分析后對(duì)應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)如下，從結(jié)構(gòu)圖中可以看到，第二級(jí)的輸出寄存器沒(méi)有添加相關(guān)復(fù)位信號(hào)控制邏輯資源。

使用vivado綜合后結(jié)構(gòu)如下，對(duì)輸出寄存器沒(méi)有設(shè)置復(fù)位，在綜合分析時(shí)會(huì)自動(dòng)設(shè)置復(fù)位信號(hào)為無(wú)效。

復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

在一個(gè)設(shè)計(jì)中，無(wú)論是同步復(fù)位還是異步復(fù)位，其扇出數(shù)量往往僅次于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。復(fù)位網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)被布線在全局網(wǎng)絡(luò)上，在布線的時(shí)候需要控制各個(gè)路徑的時(shí)鐘偏移保持在大致相等的水平上，使復(fù)位能“同時(shí)”撤離。

下圖為一個(gè)樹(shù)狀全局復(fù)位網(wǎng)絡(luò)。

樹(shù)狀全局復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)復(fù)位信號(hào)驅(qū)動(dòng)的模塊和信號(hào)過(guò)多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致扇出過(guò)大，從而使得布局布線變得困難。下圖為一個(gè)全局復(fù)位網(wǎng)絡(luò)的例子，從圖中可以看出，復(fù)位信號(hào)扇出很大，資源分布散亂，從而給布局、布線帶來(lái)很大的困難，增加了EDA的編譯負(fù)擔(dān)。

復(fù)位網(wǎng)絡(luò)扇出過(guò)大

考慮下圖的復(fù)位方案也會(huì)存在，由于rst_ol和rst_o2在撤離時(shí)可能存在一個(gè)時(shí)鐘周期的偏差，因此，在實(shí)際電路系統(tǒng)中，該方式有可能導(dǎo)致復(fù)位失敗，與前文提到的亞穩(wěn)態(tài)的多個(gè)同步器道理相同。

多個(gè)復(fù)位同步器網(wǎng)絡(luò)

比較合理的設(shè)計(jì)如下圖：

模塊化復(fù)位同步網(wǎng)絡(luò)

圖中的復(fù)位電路首先用兩級(jí)寄存器對(duì)復(fù)位進(jìn)行同步，得到根復(fù)位信號(hào)后再對(duì)其用復(fù)位同步器進(jìn)行分發(fā)。由于同步后的根復(fù)位信號(hào)不會(huì)帶來(lái)亞穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題，因此，在分發(fā)根復(fù)位信號(hào)時(shí)再次使用兩級(jí)寄存器對(duì)根復(fù)位信號(hào)進(jìn)行同步和分發(fā)是很安全的。

根復(fù)位信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)位同步器分發(fā)后，各個(gè)子復(fù)位網(wǎng)絡(luò)是各自獨(dú)立的，并且扇出的數(shù)量比根復(fù)位網(wǎng)絡(luò)要小很多。在布局布線的時(shí)候，這些子復(fù)位網(wǎng)絡(luò)需要一一進(jìn)行約束和時(shí)序分析。一般情況下，在設(shè)計(jì)的頂層代碼中劃分專(zhuān)門(mén)的復(fù)位模塊，由該模塊統(tǒng)一處理電路所需要的所有復(fù)位信號(hào)，使復(fù)位的方案更加清晰安全。在設(shè)計(jì)中，將復(fù)位電路的處理分散到各個(gè)底層模塊是不安全的，有可能導(dǎo)致不同模塊間的復(fù)位行為不一致，使電路因復(fù)位失敗而工作在異常的狀態(tài)上。

模塊化復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

上圖為使用模塊化的復(fù)位的布局布線的結(jié)果，可以看到，復(fù)位信號(hào)經(jīng)過(guò)模塊化的處理后，降低了扇出，更有利于提高電路的工作性能。

多時(shí)鐘域的復(fù)位

在多時(shí)鐘域電路中，合理的復(fù)位處理方式應(yīng)如下圖所示。各個(gè)時(shí)鐘域的復(fù)位信號(hào)由各自的時(shí)鐘進(jìn)行同步。在每個(gè)時(shí)鐘域內(nèi)，電路總是能被正確地復(fù)位。

小結(jié)

本文分析了復(fù)位的用途，通過(guò)同步復(fù)位和異步復(fù)位兩個(gè)示例表示了在Xilinx FPGA中的不同復(fù)位的編寫(xiě)方法綜合出的實(shí)際電路，指導(dǎo)我們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中去合理的進(jìn)行復(fù)位設(shè)計(jì)，同時(shí)引入了恢復(fù)時(shí)間和去除時(shí)間的概念，進(jìn)一步解釋了在復(fù)位時(shí)，復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)應(yīng)該遵守的相關(guān)約定，進(jìn)而結(jié)合異步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)和同步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)，介紹了異步復(fù)位同步釋放的復(fù)位設(shè)計(jì)方法，在最后介紹了合理的復(fù)位網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與多時(shí)鐘域的復(fù)位設(shè)計(jì)。根據(jù)本文的分析，可以小結(jié)一下關(guān)于復(fù)位的相關(guān)操作的注意事項(xiàng)以及復(fù)位設(shè)計(jì)的小技巧：

• 異步確立和同步釋放的復(fù)位電路通常提供比完全異步或完全同步復(fù)位更可靠的復(fù)位。
• 復(fù)位電平的選擇跟芯片結(jié)構(gòu)有關(guān)，根據(jù)具體使用的芯片屬性選擇合適的復(fù)位電平。
• 建議采用異步復(fù)位同步化（異步復(fù)位同步釋放處理）。
• 全局復(fù)位并不是最佳方式，可使用模塊化方式去處理復(fù)位信號(hào)。
• 并不是所有時(shí)序電路都要加復(fù)位，但對(duì)于控制信號(hào)以及必須知道初始狀態(tài)的情況，必要的復(fù)位是不可少的。
• 對(duì)每個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘區(qū)域必須利用一個(gè)分開(kāi)的復(fù)位同步器。