數(shù)字電路的復(fù)位可分為哪些

1、復(fù)位的重要性

數(shù)字電路中寄存器和 RAM 在上電之后默認(rèn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是不確定的，如果有復(fù)位，我們可以把寄存器 復(fù)位到初始狀態(tài) 0，RAM 的數(shù)據(jù)可以通過(guò)復(fù)位來(lái)觸發(fā) RAM 初始化到全 0。那可能很多人會(huì)問(wèn)為什么是全 0呢？其實(shí)一般邏輯起始都是從 0 開始變化的，這個(gè)是根據(jù)設(shè)計(jì)的需要設(shè)定的一個(gè)值，如果設(shè)計(jì)需要寄存器 上電復(fù)位為 1，也是可以的。還有一種情況是邏輯進(jìn)入了錯(cuò)誤的狀態(tài)，通過(guò)復(fù)位可以把所有的邏輯狀態(tài)恢復(fù) 到初始值，如果沒有復(fù)位，那么邏輯可能永遠(yuǎn)運(yùn)行在錯(cuò)誤的狀態(tài)。

因此復(fù)位功能是很重要的一個(gè)功能。數(shù)字電路的復(fù)位通?？煞譃椋和綇?fù)位與異步復(fù)位。

2、同步復(fù)位

同步復(fù)位：同步復(fù)位指的是當(dāng)時(shí)鐘上升沿檢測(cè)（有效沿）到復(fù)位信號(hào)，執(zhí)行復(fù)位操作，有效的時(shí)鐘沿是前提。

Verilog代碼：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時(shí)鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號(hào)

outputregout//輸出信號(hào)

);

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk )begin

if(!rst_n)

out <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in;//其他時(shí)候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

使用Quartus II綜合出的RTL如下：

可以看到，生成的觸發(fā)器并沒有復(fù)位置位端，而是生成了一個(gè)選擇器，同步復(fù)位信號(hào)rst_n用作了選擇器的使能，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零的作用。

用如下Testbench進(jìn)行仿真（復(fù)位時(shí)間不足一個(gè)時(shí)鐘周期、復(fù)位時(shí)間超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期、一個(gè)高頻復(fù)位毛刺）：

//------------------------------------------------

//--同步復(fù)位仿真

//------------------------------------------------

`timescale 1ns/1ns//時(shí)間單位/精度

//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------

module tb_rst_test();

reg clk;

reg rst_n;

regin;

wireout;

//------------<例化被測(cè)試模塊>----------------------------------------

rst_testrst_test_inst(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.in(in),

.out (out)

);

//------------<設(shè)置初始測(cè)試條件>----------------------------------------

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

//------------<設(shè)置時(shí)鐘>----------------------------------------------

always #10 clk = ~clk;//系統(tǒng)時(shí)鐘周期20ns

endmodule

仿真結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果可以看到：

第1個(gè)復(fù)位時(shí)間不足一個(gè)時(shí)鐘周期，導(dǎo)致復(fù)位不成功

第2個(gè)復(fù)位時(shí)間超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期，復(fù)位成功

最后一個(gè)復(fù)位信號(hào)上的高頻毛刺信號(hào)沒有對(duì)系統(tǒng)造成誤復(fù)位

輸出信號(hào)在第一個(gè)時(shí)鐘上升沿到來(lái)之前是未知狀態(tài)

同步復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)：

有利于仿真器的仿真

基本上沒有亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題

可以使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成為 100%的同步時(shí)序電路，有利于時(shí)序分析

由于只在時(shí)鐘有效電平到來(lái)時(shí)才有效，所以可以濾除高于時(shí)鐘頻率的復(fù)位毛刺

同步復(fù)位電路的缺點(diǎn)：

復(fù)位信號(hào)的有效時(shí)長(zhǎng)必須大于時(shí)鐘周期，才能真正被系統(tǒng)識(shí)別并完成復(fù)位任務(wù)。同時(shí)還要考慮延時(shí)因素

大多數(shù)的FPGA的DFF都只有異步復(fù)位端口，采用同步復(fù)位的話，綜合器就會(huì)在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口插入組合邏輯，這樣會(huì)耗費(fèi)邏輯資源

3、異步復(fù)位

異步復(fù)位：異步復(fù)位指的是無(wú)論時(shí)鐘沿是否到來(lái)，只要復(fù)位信號(hào)有效，就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)時(shí)鐘上升沿檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)，執(zhí)行復(fù)位操作。

Verilog代碼：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時(shí)鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號(hào)

outputregout//輸出信號(hào)

);

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)

out <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in;//其他時(shí)候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

使用Quartus II綜合出的RTL如下：

可以看到，異步復(fù)位信號(hào)rst_n直接接入了觸發(fā)器的異步復(fù)位端，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)位清零的作用。

依然使用之前用的Testbench進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果可以看到：

只要復(fù)位信號(hào)被置為低電平，就執(zhí)行復(fù)位操作，與時(shí)鐘無(wú)關(guān)

高頻毛刺信號(hào)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成誤復(fù)位

在不考慮亞穩(wěn)態(tài)的前提下，復(fù)位時(shí)間沒有要求

a、在復(fù)位信號(hào)釋放(release)的時(shí)候容易出現(xiàn)問(wèn)題。具體就是說(shuō)：倘若復(fù)位釋放時(shí)恰恰在時(shí)鐘有效沿附近，就很容易使寄存器輸出出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)。

b、復(fù)位信號(hào)容易受到毛刺的影響

異步復(fù)位電路的優(yōu)點(diǎn)：

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

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)：

復(fù)位信號(hào)容易受到毛刺的影響

因?yàn)槭钱惒竭壿?，無(wú)法避免地存在亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題

關(guān)于異步復(fù)位還需要考慮：

恢復(fù)時(shí)間（Recovery Time）是指異步控制信號(hào)（如寄存器的異步清除和置位控制信號(hào)）在“下個(gè)時(shí)鐘沿”來(lái)臨之前變無(wú)效的最小時(shí)間長(zhǎng)度。這個(gè)時(shí)間的意義是，如果保證不了這個(gè)最小恢復(fù)時(shí)間，也就是說(shuō)這個(gè)異步控制信號(hào)的解除與“下個(gè)時(shí)鐘沿”離得太近（但在這個(gè)時(shí)鐘沿之前），沒有給寄存器留有足夠時(shí)間來(lái)恢復(fù)至正常狀態(tài)，那么就不能保證“下個(gè)時(shí)鐘沿”能正常作用，也就是說(shuō)這個(gè)“時(shí)鐘沿”可能會(huì)失效。

去除時(shí)間（Removal）是指異步控制信號(hào)（如寄存器的異步清除和置位控制信號(hào)）在“有效時(shí)鐘沿”之后變無(wú)效的最小時(shí)間長(zhǎng)度。這個(gè)時(shí)間的意義是，如果保證不了這個(gè)去除時(shí)間，也就是說(shuō)這個(gè)異步控制信號(hào)的解除與“有效時(shí)鐘沿”離得太近（但在這個(gè)時(shí)鐘沿之后），那么就不能保證有效地屏蔽這個(gè)“時(shí)鐘沿”，也就是說(shuō)這個(gè)“時(shí)鐘沿”可能會(huì)起作用。

換句話來(lái)說(shuō)，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。如果你的控制信號(hào)在這兩種情況之間，那么就沒法確定時(shí)鐘沿是否起作用或不起作用了，也就是說(shuō)可能會(huì)造成寄存器處于不確定的狀態(tài)。而這些情況是應(yīng)該避免的。所以恢復(fù)時(shí)間和去除時(shí)間是應(yīng)該遵守的。

4、異步復(fù)位、同步釋放

結(jié)合兩種復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)，可以使用異步復(fù)位、同步釋放設(shè)計(jì)，Verilog代碼如下：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時(shí)鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號(hào)

outputregout//輸出信號(hào)

);

//-----------reg定義-------------------------------

reg arst_n_r;

reg arst_n;

//-----------復(fù)位信號(hào)同步模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

arst_n_r <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

arst_n <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零?

end

else begin

arst_n_r <= 1'b1;//跟接rst_n是一樣的，都是邏輯1

arst_n <= arst_n_r;??

end

end

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge arst_n)begin

if(!arst_n)

out <= 1'b0; ? ?//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in; ? ?//其他時(shí)候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

綜合出來(lái)的RTL視圖：

實(shí)際的電路圖如下：

復(fù)位信號(hào) rst_sync_n 由高拉低時(shí)實(shí)現(xiàn) y 寄存器的異步復(fù)位。同步釋放，這個(gè)是關(guān)鍵，即當(dāng)復(fù)位信號(hào) rst_async_n 撤除時(shí)（由低拉高），由于雙緩沖電路（雙觸發(fā)器）的作用，rst_sync_n 不會(huì)隨著rst_async_n 的 撤除而撤除。假設(shè) rst_async_n 撤除時(shí)發(fā)生在 clk 上升沿，如果不加此電路則可能發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)事件，但是加上此電路以后，假設(shè)第一級(jí) D 觸發(fā)器 clk 上升沿時(shí) rst_async_n 正好撤除，（第一個(gè) DFF 此時(shí)是處于亞穩(wěn)態(tài) 的；假設(shè)此時(shí)識(shí)別到高電平；若是識(shí)別到低電平，則增加一個(gè) Delay）則 DFF1 輸出高電平，此時(shí)第二級(jí)觸發(fā)器也會(huì)更新輸出，但是輸出值為前一級(jí)觸發(fā)器 clk 來(lái)之前時(shí)的 Q1 輸出狀態(tài)，顯然 Q1 之前為低電平，所以第二級(jí)觸發(fā)器輸出保持復(fù)位低電平，直到下一個(gè) clk 來(lái)之后，才隨著變?yōu)楦唠娖?，即同步釋放?/p>

使用如下Testbench進(jìn)行仿真：

//------------------------------------------------
//--同步復(fù)位仿真
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns//時(shí)間單位/精度

//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------
module tb_rst_test();

reg clk;
reg rst_n;
regin;

wireout;

//------------<例化被測(cè)試模塊>----------------------------------------
rst_testrst_test_inst(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.in(in),

.out (out)
);

//------------<設(shè)置初始測(cè)試條件>----------------------------------------
initial begin
clk = 1'b0;
rst_n <= 1'b0;
in <= 1'b1;
#25
rst_n <= 1'b1;
#6
rst_n <= 1'b1;
#18
rst_n <= 1'b1;
#39
rst_n <= 1'b0;
#21
rst_n <= 1'b1;
end
//------------<設(shè)置時(shí)鐘>----------------------------------------------
always #10 clk = ~clk;//系統(tǒng)時(shí)鐘周期20ns

endmodule
仿真結(jié)果如下：

可以看到：復(fù)位是異步進(jìn)行的，一旦復(fù)位信號(hào)為低電平，則輸出復(fù)位，而復(fù)位的撤除則被同步到了時(shí)鐘域下。如此一來(lái)，既解決了同步復(fù)位的資源消耗問(wèn)題，也解決了異步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)問(wèn)題。其根本思想，也是將異步信號(hào)同步化。

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Xilinx FPGA的約束設(shè)計(jì)和時(shí)序分析總結(jié)