详细介绍复位电路设计和问题分析.docx

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1、详细介绍复位电路设计和问题分析今天我们来聊聊复位电路的基础，本文的内容有：目录?复位电路概述1?复位的目的1?不需要复位信号的一些情况2?同步复位3?同步复位电路3?同步复位的优点4?同步复位的缺点5?异步复位9? ?异步复位电路9? ?异步复位的优点10?异步复位的缺点10?复位策略复位网络19复位电路概述复位信号在数字电路里面的重要性仅次于时钟信号。对电路的复位往往是 指对触发器的复位，也就是说电路的复位中的这个“电路，往往是指触发器，这 是需要注意的。有的电路需要复位信号，就像是有的电路需要时钟信号那样，而有的电路 是不需要复位信号的。复位又分为同步复位和异步复位，这两种各有优缺点。下面

2、我们主要来说说复位信号的用途和不需要复位信号的情况。复位的目的复位最基本的目的就是使电路（主要是触发器）进入一个能稳定操作的确定 状态（主要是触发器在在某个确定的状态），主要表现为下面两点：使电路在复位后从确定的初始状态运行： 上电的时候，为了避免上电后进入随机状态而使电路紊乱，这个时候你 就需要上电复位了。 有时候，电路在某个状态下，你想或者别人要求你从电路的初始状态开 始进行延时你的电路功能，这个时候你就要对你的电路进行复位，让它从最初 的状态开始运行。 使电路从错误状态0到可以控制的确定状态：有的时候，你的电路发生了异常，比如说状态机跑飞了、系统供电炸了之 类的，总之就是电路运行得不正常

3、了，这个时候你就要对电路进行复位，让它 从错误的状态0到一个正常的状态。上面说的都是和实际电路有关的，下面我们就从电路仿真的角度看一下复 位信号的重要性。 仿真的要求复位信号在仿真里面主要是使电路仿真时具有可知的初始值：在仿真的时候，信号在初始状态是未知状态（也就是所谓的X,不过对信号 初始化之后的这种情况除外，因为仿真的时候对信号初始化就使信号有了初始 值，这就不是X 了）。对于数据通路（数字系统一般分为数据通路和控制通路，数据通路一般是对 输入的数据进行处理，控制通路则是对运行的情况进行操作），在实际电路中， 只要输入是有效数据（开始的时候可能不是有效的），输出后的状态也是确定的； 在仿真

4、的时候，也是输入数据有效了，输出也就确定了。也就是说，初始不定 态对数据通路的影响不明显。对于控制通路，在实际电路中，只要控制通路完备（比如说控制通路的状态 机是完备的），即使初始状态即使是不定态，在经过一定的循环后，还是能回到 正确的状态上；然而在仿真的时候就不行了，仿真的时候由于初始状态为未知 态，控制电路一开始就陷入了未知态;仿真跟实际电路不同，仿真是“串行的， 仿真时控制信号的初始不定态会导致后续的控制信号结果都是不定态，也就是 说，初始的不定态对控制通道是致命的。不需要复位信号的一些情况复位信号很重要，但是并不是每一部分的电路都需要复位电路，一方面是 复位电路也消耗逻辑资源、占用芯片

5、面积，另一方面是复位信号会增加电路设 计的复杂性（比如要考虑复位的策略、复位的布局布线等等）。当某个电路的输出在任何时刻都可以不受到复位信号的控制就有正确的值 时，比如说数据通路中的对数据进行处理的部分。在某些情况下，当流水线的寄存器（移位寄存触发器）在高速应用中时，应该 去掉某些寄存器的复位信号以使设计达到更高的性能，因为带复位的触发器比 不带复位的触发器更复杂，反应也更慢。对复位信号/电路有一定的概念后，下面我们就来说说复位的方式，也就是 同步电路和异步电路以及它们的优缺点。同步复位同步复位电路同步复位是指复位信号在时钟有效沿到来时才复位电路（主要是复位触发 器）。因此同步复位的复位信号受

6、到时钟信号的控制。同步复位的触发器RTL代 码和电路如下所示：e DFF_sync(UtpuC regQnputdata_innputrst_nnputelkys i (posedge clk)begi rst_n = 1 ,b ) Q N l,bQ = data_in ;如。4-同步复位的优点首先同步复位一般能确保电路是100%同步的，因为电路都是由同步时 钟触发。同步复位会综合为更小的触发器（更小？ ？感觉有点不太对，可能FPGA 跟ASIC不一样吧？从前面电路中我们也可以看到，复位电路仅仅是由一个 普通的触发器和一个与门构成。由于同步复位仅仅发生在时钟的有效沿，当外部的复位信号有毛刺时，

7、 时钟可以当做过滤毛刺的手段，也就是说同步复位受到复位信号的毛刺影响小。当复位信号是由内部电路产生时，此时复位信号就有可能有毛刺，时钟 就可以过滤毛刺。也就是说，可以在那些使用内部信号当作复位信号的设计中, 使用同步复位。同步复位的缺点使用同步复位可能使综合工具无法分辨分辨复位信号和其他控制信号， 导致进行复位的控制逻辑远离触发器（也就是说，并不是所谓的ASIC库都有内 置的同步复位逻辑，综合工具可能把符合逻辑综合到触发器自身之外）o例如对于带同步复位和加载使能的触发器，代码如下所示：module DFFJoad (output regQrinputloadfinputdata_in ,inp

8、utrst_n linput_ elkE9 9 !always (posedgeelk )beginif ( rst_n = l,b)Q = l,b ;else if ( load )Q 1r ，(QMrU.讪：_ dm 叁&二，一解决办法：一方面，可以采用脉冲捕捉电路，这个电路在我的跨时钟域控 制信号传输中有讲到。另一方面，可以将复位信号进行脉冲扩展，维持足够长的时间，这个可以 通过一个小的计数器实现，如下图所示：同步复位可能有组合逻辑延时，当复位逻辑距离触发器比较远时，这个 时候就不能把触发器当做即时响应复位信号的触发器，而是有一定延时的触发 器，这个时候就有了复位信号偏移的问题，关于复位

9、信号偏移的描述，我们将 在异步复位中进行描述。解决方法：使用内置的同步复位触发器；综合的时候加入相关的综合指令, 这个和类似。我们前面说过，在由内部组合逻辑的产生复位信号的设计中，推荐使用 同步复位。其实这也是有缺点的，这是因为这样产生复位信号的组合逻辑一方 面在仿真的时候容易出现X态，另一方面在实际电路中，这样的复位信号容易 被外部(多个)信号影响。解决方法：不建议使用内部产生的复位信号；使用异步复位。门控时钟的同步复位可能无效：使用门控时钟的时候，由于复位信号依 赖于时钟，在复位信号发出的时候，时钟可能关闭了。这个时候就会导致实际的电路没有被复位，如下图所示：解决方法：只能使用异步复位，并

10、在时钟恢复前移除异步复位。总线设计中的同步复位问题：在总线控制中，系统上电复位的时候，我们要求不同芯片之间的总线工作 在合理的状态上（比如处于高阻态或者输出）；然而上电之后，由于系统时钟可能 仍未正常工作，上电（同步）复位就可能无效，这个时候各个模块（芯片）就可能不 会把总线接口设置为特定的状态，（当多个模块同时输出数据到总线上时）就可能 导致电平冲突，严重的话会烧坏接口。解决办法：为了防止芯片上电时内部总线出现竞争，有两种解决办法, 种是采用异步上电复位，如下图所示:这个时候使用了异步复位，使能信号Oe输出3也就是有了初始的状态另一种方法是使用复位信号能直接撤销三态使能的电路，如下所示:从电

11、路图中可以看到复位信号一方面控制了复位逻辑，另一方面控制了三态的使能端;这种技术简化了复位-高阻这个条路径的时序分析。?.异步复位?.L异步复位电路异步复位触发器则是在设计触发器的时候加入了一个复位引脚，也就是说 复位逻辑集成在触发器里面。（一般情况下）低电平的复位信号到达触发器的复位端时，触发器进入复位状 态，直到复位信号撤离。带异步复位的触发器电路图和RTL代码如下所示：DFF_asyncQ data_in rst_n elkBmodule DFF_async( output reg input input InputQalways ?(posedge elk or negedge rst

12、_n)begin if ( rst_n = 1,b )Q N l,b ;elseQ = data_in ;-endendmodule?. 2.异步复位的优点使用异步复位的最大好处就是复位路径上没有延时，如上面的图所示， 复位信号一直连接到触发器的复位端口，而不是像同步复位那样需要经过一个 复位控制逻辑（如与门）O这样子就减少了外界信号的影响。与时钟没有关系，不管时钟上升沿有没有到来，只要复位信号一有效， 触发器就会复位，也就是基本上做到实时性；由于与时钟没有关系，因此也可 以用在门控时钟里面。综合工具能自动推断出异步复位而不必加入任何综合指令。?. 3.异步复位的缺点复位撤离问题在介绍复位撤离

13、问题之前，先说一下复位恢复时间和去除时间。所谓的复 位恢复时间是指撤离一个复位信号时，复位信号从有效跳变为无效的时刻与下 一个有效时钟沿之间的这段时间；去除时间是指撤离一个复位信号时，复位信号从有效跳变为无效的时刻与上一个有效时钟沿之间的这段时间（可以类比于 触发器的建立时间和保持时间）。如下图所示：上图中，rst_nl是要求的复位恢复时间，rst_n2满足复位恢复时间，rst_n3 复位恢复时间不足。上图中，rst_nA是要求的复位去除时间，rst_n2满足复位去除时间，rst_n3复位去除时间不足。从上面的两个图中可以知道，如果你想让某个时钟沿起作用（也就是采数 据），那么你就应该在“恢复

14、时间之前让异步控制信号变无效；如果你想让某个 时钟沿不起作用（也就是在这个时钟沿依旧复位），那么你就应该在“去除时间过 后使控制信号变无效。异步复位信号的恢复和去除时间需要大于一定的时间，如果你的异步复位 信号在这两种情况之间（撤离），那么就没法确定时钟沿是否起作用了，即判断不 出是复位还是不复位（不复位即是D触发器才输入端的数据）。介绍了复位恢复时间和去除时间之后，我们就可以看看异步复位信号的问 题了。由于异步复位信号与系统时钟毫无关系，复位可以在随时施加，也可以 随时撤离。在施加的时候复位信号的时候，不存在任何问题，因为这跟复位恢 复时间扯不上关系。但是，在撤离复位信号的情况下就有问题了，主要有两个问题：当异步复位信号的撤离时刻在时钟有有效沿附近时