FPGA | 深入理解复位

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复位电路作为数字逻辑设计中一个重要电路，不管是FPGA还是ASIC设计中都会经常使用，可以说复位信号在数字电路里面的重要性仅次于时钟信号。复位的主要目的是使芯片电路进入一个已知的，确定的状态。主要是触发器进入初始状态。复位一般分为同步复位和异步复位，可以由硬件开关触发引起，也可以由复位逻辑控制引起。

一、同步复位

同步复位：同步复位指的是当时钟上升沿检测（有效沿）到复位信号，执行复位操作，有效的时钟沿是前提。

1.1 同步复位的实现方式

//*******************同步复位模块******************//

//-----------端口定义-------------------------------
module  rst_test(
    input       clk     ,   //系统时钟
    input       rst_n   ,   //复位信号，低电平有效
    input       in      ,   //输入信号
    output  reg out         //输出信号
);

//-----------输出模块-------------------------------
always@(posedge clk )begin
    if(!rst_n)
        out <= 1'b0;        //复位将输出置零
    else
        out <= in;          //其他时候将输入赋值给输出
end

endmodule

综合出的RTL如下

进行仿真测试（复位时间不足一个时钟周期、复位时间超过一个时钟周期、一个高频复位毛刺）

//------------------------------------------------
//--复位仿真
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns	//时间单位/精度

//------------<模块及端口声明>----------------------------------------
module tb_rst_test();

reg 	clk		;
reg 	rst_n	;
reg		in		;

wire	out		;

//------------<例化被测试模块>----------------------------------------
rst_test	rst_test_inst(
	.clk	(clk)	,
	.rst_n	(rst_n)	,
	.in		(in)	,
	
	.out    (out)
);

//------------<设置初始测试条件>----------------------------------------
initial begin
	clk = 1'b0;					
	rst_n <= 1'b0;
	in <= 1'b1;
	#5							
	rst_n <= 1'b1;
	#6							
	rst_n <= 1'b0;	
	#18							
	rst_n <= 1'b1;
	#39							
	rst_n <= 1'b0;
	#21							
	rst_n <= 1'b1;
	#25							
	rst_n <= 1'b0;
	#3							
	rst_n <= 1'b1;

end
//------------<设置时钟>----------------------------------------------
always #10 clk = ~clk;		//系统时钟周期20ns

endmodule

1.2 同步复位的优缺点

优点：

有利于仿真器的仿真；
基本上没有亚稳态问题；
可以使所设计的系统成为 100%的同步时序电路，有利于时序分析；
由于只在时钟有效电平到来时才有效，对小的复位毛刺来说，时钟就像滤波器，所以可以滤除高于时钟频率的复位毛刺。

缺点

复位信号的有效时长必须大于时钟周期，才能真正被系统识别并完成复位任务。同时由于线路上的延迟，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；
大多数的FPGA的DFF（D flip-flop）都只有异步复位端口，采用同步复位的话，综合器就会在寄存器的数据输入端口插入组合逻辑，这样会耗费逻辑资源；
不是所有的库都有自带同步reset的FF, 但是可以通过把reset当作数据输入来解决；
如果电路中有三态总线，那么上电时必须用异步复位，如果用同步复位，reset必须能够复位三态信号的enable信号。如下所示

1.3 其他

同步复位编码方式必须是 if/else 优先级的方式，而且 reset只能放在 if条件下，其他组合逻辑放到 else逻辑下。

如果没有严格遵守这种方式，会有两个问题：

1、一些仿真器中，基于逻辑方程，逻辑可能阻止复位到达触发器。这只是一个仿真问题，不是硬件问题。但是复位的一个主要目的，就是仿真的时候将电路置于一个已知的确定状态。

2、由于复位树的高扇出，复位信号可能是一个相对于时钟周期的“延迟到达信号”，尽管复位将从复位缓冲区树中进行缓冲，但明智的做法是限制复位到达本地逻辑后必须经过的逻辑量。就是说必须对复位信号少做逻辑。

二、异步复位

异步复位：异步复位指的是无论时钟沿是否到来，只要复位信号有效，就对系统进行复位。

2.1 异步复位的实现方式

//*******************异步复位模块****************//
 
//-----------端口定义-------------------------------
module	rst_test(
	input		clk		,	    //系统时钟
	input		rst_n	,	    //复位，低电平有效
	input		in		,	    //输入信号
	output	reg	out			//输出信号
);

//-----------输出模块-------------------------------
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		out <= 1'b0;		//复位将输出置零
	else
		out <= in;			//其他时候将输入赋值给输出
end	
	
endmodule

综合出的RTL如下:

依然使用之前用的Testbench进行仿真，结果如下：

2.2 异步复位的优缺点

优点：

大多数目标器件库的dff都有异步复位端口，因此采用异步复位可以 节省资源
设计相对简单，异步复位信号识别方便，而且可以很方便的使用FPGA的全局复位端口GSR
电路reset和时钟无关，不管有没有时钟，都可以reset。 可以实时复位，也可以加在门控时钟里面。门控时钟是低功耗设计的重要方法。

缺点：

复位信号容易受到毛刺的影响
因为是异步逻辑，在复位阶段和解复位阶段（复位撤离）都是异步的。复位阶段不是问题，解复位才是问题。如果在触发器的活动时钟边缘或附近释放异步复位，则触发器的输出可能变为亚稳态，这样电路的复位状态可能会丢失，解复位失败。

三、异步复位同步释放

异步复位，同步释放就是指在复位信号到来的时候不受时钟信号的同步，而是在复位信号释放的时候受到时钟信号的同步。

3.1 实现

综合两种复位的优点，可以使用异步复位、同步释放设计，Verilog代码如下

//*******************同步复位模块**************************
 
//-----------端口定义-------------------------------
module	rst_test(
	input		clk		,		//工作时钟
	input		rst_n	,		//复位，低电平有效
	input		in		,		//输入信号
	output	reg	out				//输出信号
);

//-----------reg定义-------------------------------
reg arst_n_r;
reg arst_n;

//-----------复位信号同步模块-------------------------------
always@(posedge clk or negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin
		arst_n_r <= 1'b0	;	//复位将输出置零
		arst_n <= 1'b0		;	//复位将输出置零	
	end
	else begin
		arst_n_r <= 1'b1	;	//跟接rst_n是一样的，都是逻辑1
		arst_n <= arst_n_r	;		
	end
end

//-----------输出模块-------------------------------
always@(posedge clk or negedge arst_n)begin
	if(!arst_n)
		out <= 1'b0;		    //复位将输出置零
	else
		out <= in;			    //其他时候将输入赋值给输出
end	
	
endmodule

综合出来的RTL视图和电路如下：

仿真结果：

可以看到：复位是异步进行的，一旦复位信号为低电平，则输出复位，而复位的撤除则被同步到了时钟域下。如此一来，既解决了同步复位的资源消耗问题，也解决了异步复位的亚稳态问题。其根本思想，也是将异步信号同步化。