深度剖析復(fù)位電路

異步復(fù)位

(1)異步復(fù)位電路

異步復(fù)位觸發(fā)器則是在設(shè)計觸發(fā)器的時候加入了一個復(fù)位引腳，也就是說 復(fù)位邏輯集成在觸發(fā)器里面 。(一般情況下)低電平的復(fù)位信號到達觸發(fā)器的復(fù)位端時，觸發(fā)器進入復(fù)位狀態(tài)，直到復(fù)位信號撤離。帶異步復(fù)位的觸發(fā)器電路圖和RTL代碼如下所示:

(2)異步復(fù)位的優(yōu)點

①使用異步復(fù)位的最大好處就是 復(fù)位路徑上沒有延時 ，如上面的圖所示，復(fù)位信號一直連接到觸發(fā)器的復(fù)位端口，而不是像同步復(fù)位那樣需要經(jīng)過一個復(fù)位控制邏輯(如與門)。這樣子就減少了外界信號的影響。

②與時鐘沒有關(guān)系，不管時鐘上升沿有沒有到來，只要復(fù)位信號一有效，觸發(fā)器就會復(fù)位，也就是基本上做到實時性；由于與時鐘沒有關(guān)系，因此也可以用在門控時鐘里面。

③綜合工具能自動推斷出異步復(fù)位而不必加入任何綜合指令。

(3)異步復(fù)位的缺點

①復(fù)位撤離問題

在介紹復(fù)位撤離問題之前，先說一下復(fù)位恢復(fù)時間和去除時間。所謂的復(fù)位恢復(fù)時間是指撤離一個復(fù)位信號時，復(fù)位信號從有效跳變?yōu)闊o效的時刻 與 下一個有效時鐘沿 之間的這段時間；去除時間是指撤離一個復(fù)位信號時，復(fù)位信號從有效跳變?yōu)闊o效的時刻 與 上一個有效時鐘沿 之間的這段時間（可以類比于觸發(fā)器的建立時間和保持時間）。如下圖所示:

上圖中，rst_n1是要求的復(fù)位恢復(fù)時間，rst_n2滿足復(fù)位恢復(fù)時間，rst_n3復(fù)位恢復(fù)時間不足。

上圖中，rst_nA是要求的復(fù)位去除時間，rst_n2滿足復(fù)位去除時間，rst_n3復(fù)位去除時間不足。

從上面的兩個圖中可以知道，如果你想 讓某個時鐘沿起作用（也就是采數(shù)據(jù)） ，那么你就應(yīng)該在“恢復(fù)時間”之前讓異步控制信號變無效；如果你想讓某個時鐘沿不起作用（也就是在這個時鐘沿依舊復(fù)位），那么你就應(yīng)該在“去除時間”過后使控制信號變無效。異步復(fù)位信號的恢復(fù)和去除時間需要大于一定的時間，如果你的異步復(fù)位信號在這兩種情況之間（撤離），那么就沒法確定時鐘沿是否起作用了，即判斷不出是復(fù)位還是不復(fù)位（不復(fù)位即是D觸發(fā)器才輸入端的數(shù)據(jù)）。

介紹了復(fù)位恢復(fù)時間和去除時間之后，我們就可以看看異步復(fù)位信號的問題了。由于異步復(fù)位信號與系統(tǒng)時鐘毫無關(guān)系，復(fù)位可以在隨時施加，也可以隨時撤離。在施加的時候復(fù)位信號的時候，不存在任何問題，因為這跟復(fù)位恢復(fù)時間扯不上關(guān)系。但是，在撤離復(fù)位信號的情況下就有問題了，主要有兩個問題:

·當異步復(fù)位信號的撤離時刻在時鐘有有效沿附近時，就可能導(dǎo)致恢復(fù)時間或去除時間不足，即這個時候違背了復(fù)位恢復(fù)時間或去除時間，這時就可能導(dǎo)致觸發(fā)器的輸出端為亞穩(wěn)態(tài)（注意是 可能 ），如下所示:

但是并不是所有情況都會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，當復(fù)位值和此時的的輸出相同時，就不會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，如下圖所示：

這是因為：復(fù)位信號翻轉(zhuǎn)的時候，如果復(fù)位信號判斷是 低電平 ，輸出就復(fù)位即一定是低電平；如果判斷復(fù)位信號是 高電平 ， 輸出信號就等于對輸入信號的采樣值 。圖里面 輸入信號就是低電平 ，不管你是復(fù)位還是不復(fù)位，輸出一直是低電平，沒有亞穩(wěn)態(tài)。

·復(fù)位狀態(tài)不一致的問題:

復(fù)位信號很時鐘信號一樣，復(fù)位通過復(fù)位網(wǎng)絡(luò)到達各個觸發(fā)器。一方面，復(fù)位網(wǎng)絡(luò)具有非常大的扇出和負載，到達不同的觸發(fā)器存在不同的延時，也就是存在復(fù)位偏移，因此撤離異步復(fù)位的時刻也是不一樣的;另一方面，由于時鐘網(wǎng)絡(luò)也存在時鐘偏移。這個時候異步復(fù)位信號就有可能在不同的觸發(fā)器的不同時鐘周期內(nèi)進行撤離，也就是說異步復(fù)位的信號不一致，如下圖所示:

異步復(fù)位信號 a是異步復(fù)位信號源 ，異步復(fù)位信號b、c、d是到達觸發(fā)器的異步信號。我們可以看到， b信號是在本周期就撤離了復(fù)位 ;c信號則由于復(fù)位恢復(fù)時間不滿足，則可能導(dǎo)致觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài);而 d信號則由于延時太長（但是滿足了復(fù)位去除時間），在下一個周期才撤離復(fù)位 。

撤離問題的解決方法:異步復(fù)位的同步釋放

異步復(fù)位的同步釋放電路也稱為 復(fù)位同步器 ，這個方法是 將外部輸入的異步復(fù)位信號進行處理 ，產(chǎn)生另外一個適合用于后面電路的復(fù)位信號，這個處理后的復(fù)位信號能夠異步復(fù)位電路中的觸發(fā)器，又不會存在撤離問題（因為經(jīng)過了同步）；這個異步復(fù)位同步釋放的處理電路和RTL代碼如下所示:

從圖中可以看到，這是 用外部異步復(fù)位信號來復(fù)位一對觸發(fā)器 ，這對觸發(fā)器異步地驅(qū)動主復(fù)位信號，也就是這對觸發(fā)器產(chǎn)生電路需要的復(fù)位信號，這些復(fù)位信號再到達各個觸發(fā)器，然后進行復(fù)位，理想的異步復(fù)位同步釋放的時序如下所示:

上圖中，在理想的情況下，復(fù)位信號在兩級D觸發(fā)器上面的撤離時間可能不一樣，這個和復(fù)位信號傳輸?shù)降挠|發(fā)器位置和觸發(fā)器的時鐘沿有關(guān)。 理想情況下的復(fù)位信號傳輸?shù)侥繕擞|發(fā)器都能夠同時撤離，并且不在時鐘有效沿附近 。

實際情況一般不是那么理想的，當不是理想的情況下，也就是說復(fù)位信號到達目標寄存器存在時鐘偏移，并且復(fù)位信號有可能在時鐘有效沿附近撤離，這個時候復(fù)位器出現(xiàn)的問題就有三種：第一級OK，第二級出現(xiàn)問題；第一級出現(xiàn)問題，第二級OK；兩級都出現(xiàn)問題。下面我們就來看看這三種情況下產(chǎn)生的復(fù)位信號是什么情況：

第一級的撤離沒有問題，第二級的撤離出現(xiàn)在時鐘的有效沿附近 ，也就是說第二級的D觸發(fā)器的撤離時間不滿足復(fù)位恢復(fù)時間或者去除時間，這時候的時序圖如下所示:

我們可以看到無論是觸發(fā)器判斷此刻是復(fù)位還是不復(fù)位，輸出都是一樣的，也就是說，輸出rst_n不是亞穩(wěn)態(tài)，而是確定的值。

第一級的撤離出現(xiàn)問題，第二級的撤離沒有問題 ，這時候的時序圖如下所示：

我們可以看到，第一級觸發(fā)器雖然產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)，但是由于第二級觸發(fā)器的存在，亞穩(wěn)態(tài)并沒有傳播下去， 得到的復(fù)位信號依然是干凈的 ，只不過這個復(fù)位信號可能延長多一個周期而已（這是因為亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的可能態(tài)引起的）。

最極端的一種情況是， 兩級的撤離都不滿足復(fù)位恢復(fù)時間或者去除時間 ，這時候的時序圖如下所示：

我們可以看到第一級觸發(fā)器產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)，但是由于第二級觸發(fā)器的存在，亞穩(wěn)態(tài)沒有傳播下去；雖然第二級觸發(fā)器的復(fù)位信號撤離也在時鐘有效沿附近，但是跟第一種情況一樣，第二級觸發(fā)器是不會產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的。因此即使是極端狀態(tài)，輸出的復(fù)位信號也是干凈的。

由此我們可以看到，異步復(fù)位的同步撤離能夠有效地解決撤離導(dǎo)致的復(fù)位恢復(fù)時間或者去除時間不足的問題，同時把復(fù)位信號同步化，解決了復(fù)位撤離偏移的問題。

②異步復(fù)位的抖動問題

當外部輸入的異步復(fù)位信號產(chǎn)生毛刺時，任何滿足觸發(fā)器最小復(fù)位脈沖寬度的輸入都有可能引起觸發(fā)器復(fù)位，這問題是源頭上的問題，即使是使用上面的同步器，也還是有同樣的敏感問題，時序圖如下所示：

解決方法 ：一個是 使用同步復(fù)位 ，另一個就是過濾毛刺了，過濾毛刺和消抖的思路有點像，主要就是經(jīng)過一段延時之后，在經(jīng)過邏輯門判斷產(chǎn)生外部來的是不是真正復(fù)位信號，加上過濾毛刺信號部分的同步撤離電路和時序如下所示：

在上圖中，我們可以看到，抖動問題得到了解決。然而這種方法還是有缺點的，主要就是這個延時電路的延時控制可能隨著環(huán)境而變化，而且延時的時間要合適長才行，絕對不能太短。

③DFT的問題

在DFT的時候，如果異步復(fù)位信號不能直接被I/O引腳驅(qū)動，就必須將異步復(fù)位線和后面的的被驅(qū)動電路斷開，用來保證DFT掃描和測試能夠正確進行。總之異步復(fù)位增加了DFT的復(fù)雜性。

4.復(fù)位策略——復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

在數(shù)字電路里面，復(fù)位信號驅(qū)動了很多觸發(fā)器，僅次于時鐘，因此復(fù)位也往往形成或者使用復(fù)位網(wǎng)絡(luò)。復(fù)位網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計也是有值得斟酌的地方，例如，由于復(fù)位的扇出太大，全部的復(fù)位不能僅僅由一個端口驅(qū)動，也就是不能像下面一樣：

既然上面的不行，那就改成下面的唄，也就是使用多各“并聯(lián)”的同步釋放，分擔一下負載壓力：

然而這種方案還是有問題的，這是第一級的撤離出現(xiàn)問題，第二級的撤離沒有問題的時候，亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的狀態(tài)可能不一樣，導(dǎo)致rst_n的復(fù)位不一致，有的復(fù)位可能會快/慢一個周期。

最后的方案是，先進行同步釋放之后，同步后的復(fù)位信號又當做各個部分的異步信號，然后進行同步釋放，如下所示：

這樣先經(jīng)過前級的同步釋放之后，就不存在亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定好導(dǎo)致的輸出rst_n不一致的問題了。