復(fù)位電路的基礎(chǔ)知識

今天我們來聊聊聊聊復(fù)位電路的基礎(chǔ)，本文的主要內(nèi)容有：

復(fù)位電路概述

同步復(fù)位電路

異步復(fù)位電路

復(fù)位策略——復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

1復(fù)位電路概述

復(fù)位信號在數(shù)字電路里面的重要性僅次于時鐘信號。 對電路的復(fù)位往往是指對觸發(fā)器的復(fù)位，也就是說電路的復(fù)位中的這個“電路”，往往是指觸發(fā)器，這是需要注意的。

有的電路需要復(fù)位信號，就像是有的電路需要時鐘信號那樣，而有的電路是不需要復(fù)位信號的。

復(fù)位又分為同步復(fù)位和異步復(fù)位，這兩種各有優(yōu)缺點。

下面我們主要來說說復(fù)位信號的用途和不需要復(fù)位信號的情況。

（1）復(fù)位的目的

復(fù)位最基本的目的就是使電路(主要是觸發(fā)器)進入一個能穩(wěn)定操作的確定狀態(tài)(主要是觸發(fā)器在在某個確定的狀態(tài))，主要表現(xiàn)為下面兩點：

①使電路在復(fù)位后從確定的初始狀態(tài)運行：

● 上電的時候，為了避免上電后進入隨機狀態(tài)而使電路紊亂，這個時候你就需要上電復(fù)位了。

● 有時候，電路在某個狀態(tài)下，你想或者別人要求你從電路的初始狀態(tài)開始進行延時你的電路功能，這個時候你就要對你的電路進行復(fù)位，讓它從最初的狀態(tài)開始運行。

②使電路從錯誤狀態(tài)回到可以控制的確定狀態(tài)：

有的時候，你的電路發(fā)生了異常，比如說狀態(tài)機跑飛了、系統(tǒng)供電炸了之類的，總之就是電路運行得不正常了，這個時候你就要對電路進行復(fù)位，讓它從錯誤的狀態(tài)回到一個正常的狀態(tài)。

上面說的都是和實際電路有關(guān)的，下面我們就從電路仿真的角度看一下復(fù)位信號的重要性。

● 仿真的要求

復(fù)位信號在仿真里面主要是使電路仿真時具有可知的初始值:

在仿真的時候，信號在初始狀態(tài)是未知狀態(tài)(也就是所謂的x，不過對信號初始化之后的這種情況除外，因為仿真的時候?qū)π盘柍跏蓟褪剐盘栍辛顺跏贾担@就不是x了)。

對于數(shù)據(jù)通路(數(shù)字系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)通路和控制通路，數(shù)據(jù)通路一般是對輸入的數(shù)據(jù)進行處理，控制通路則是對運行的情況進行操作)，在實際電路中，只要輸入是有效數(shù)據(jù)(開始的時候可能不是有效的)，輸出后的狀態(tài)也是確定的； 在仿真的時候，也是輸入數(shù)據(jù)有效了，輸出也就確定了。 也就是說，初始不定態(tài)對數(shù)據(jù)通路的影響不明顯。

對于控制通路，在實際電路中，只要控制通路完備(比如說控制通路的狀態(tài)機是完備的)，即使初始狀態(tài)即使是不定態(tài)，在經(jīng)過一定的循環(huán)后，還是能回到正確的狀態(tài)上； 然而在仿真的時候就不行了，仿真的時候由于初始狀態(tài)為未知態(tài)，控制電路一開始就陷入了未知態(tài)； 仿真跟實際電路不同，仿真是“串行”的，仿真時控制信號的初始不定態(tài)會導(dǎo)致后續(xù)的控制信號結(jié)果都是不定態(tài)，也就是說，初始的不定態(tài)對控制通道是致命的。

（2）不需要復(fù)位信號的一些情況

復(fù)位信號很重要，但是并不是每一部分的電路都需要復(fù)位電路，一方面是復(fù)位電路也消耗邏輯資源、占用芯片面積，另一方面是復(fù)位信號會增加電路設(shè)計的復(fù)雜性(比如要考慮復(fù)位的策略、復(fù)位的布局布線等等)。

當(dāng)某個電路的輸出在任何時刻都可以不受到復(fù)位信號的控制就有正確的值時，比如說數(shù)據(jù)通路中的對數(shù)據(jù)進行處理的部分。

在某些情況下，當(dāng)流水線的寄存器(移位寄存觸發(fā)器)在高速應(yīng)用中時，應(yīng)該去掉某些寄存器的復(fù)位信號以使設(shè)計達到更高的性能，因為帶復(fù)位的觸發(fā)器比不帶復(fù)位的觸發(fā)器更復(fù)雜，反應(yīng)也更慢。

對復(fù)位信號/電路有一定的概念后，下面我們就來說說復(fù)位的方式，也就是同步電路和異步電路以及它們的優(yōu)缺點。

2同步復(fù)位

（1）同步復(fù)位電路

同步復(fù)位是指復(fù)位信號在時鐘有效沿到來時才復(fù)位電路(主要是復(fù)位觸發(fā)器)。

因此同步復(fù)位的復(fù)位信號受到時鐘信號的控制。 同步復(fù)位的觸發(fā)器RTL代碼和電路如下所示:

上面的電路在FPGA中容易綜合得到； 也有可能綜合得到下面這樣的電路：

（2）同步復(fù)位的優(yōu)點

①首先同步復(fù)位一般能確保電路是100%同步的，因為電路都是由同步時鐘觸發(fā)。

②同步復(fù)位會綜合為更小的觸發(fā)器（更??？？ 感覺有點不太對，可能FPGA跟ASIC不一樣吧？ ）。 從前面電路中我們也可以看到，復(fù)位電路僅僅是由一個普通的觸發(fā)器和一個與門構(gòu)成。

③由于同步復(fù)位僅僅發(fā)生在時鐘的有效沿，當(dāng)外部的復(fù)位信號有毛刺時，時鐘可以當(dāng)做過濾毛刺的手段，也就是說同步復(fù)位受到復(fù)位信號的毛刺影響小。

④當(dāng)復(fù)位信號是由內(nèi)部電路產(chǎn)生時，此時復(fù)位信號就有可能有毛刺，時鐘就可以過濾毛刺。 也就是說，可以在那些使用內(nèi)部信號當(dāng)做復(fù)位信號的設(shè)計中，使用同步復(fù)位。

（3）同步復(fù)位的缺點

①使用同步復(fù)位可能使綜合工具無法分辨分辨復(fù)位信號和其他控制信號，導(dǎo)致進行復(fù)位的控制邏輯遠(yuǎn)離觸發(fā)器(也就是說，并不是所有的ASIC庫都有內(nèi)置的同步復(fù)位邏輯，綜合工具可能把符合邏輯綜合到觸發(fā)器自身之外)。

例如對于帶同步復(fù)位和加載使能的觸發(fā)器，代碼如下所示：

綜合得到的電路圖如下所示，左邊是理想的電路，右邊是可能綜合出的電路：

這兩個電路的功能完全一樣，只不過右邊電路的復(fù)位控制邏輯(即復(fù)位與門)在多路復(fù)用器之外，也就是遠(yuǎn)離了觸發(fā)器。

解決方法就是：一方面這個只是綜合工具的問題，一般綜合工具會自動識別在敏感列表里面又在條件表達式信號中的第一個信號為復(fù)位信號； 另一方面，可以在RTL代碼編寫的時候，加入相關(guān)的綜合指令，讓綜合的時候把復(fù)位邏輯靠近觸發(fā)器。

②由于同步復(fù)位需要在時鐘沿的觸發(fā)下才能起作用，復(fù)位信號是以短脈沖的方式出現(xiàn)時，時鐘沿就有可能錯失這個復(fù)位信號，導(dǎo)致復(fù)位脈沖丟失，同步復(fù)位電路沒有起到作用，時序圖如下所示：

解決辦法：?一方面，可以采用脈沖捕捉電路，這個電路在我的跨時鐘域控制信號傳輸中有講到。

另一方面，可以將復(fù)位信號進行脈沖擴展，維持足夠長的時間，這個可以通過一個小的計數(shù)器實現(xiàn)，如下圖所示：

③同步復(fù)位可能有組合邏輯延時，當(dāng)復(fù)位邏輯距離觸發(fā)器比較遠(yuǎn)時，這個時候就不能把觸發(fā)器當(dāng)做即時響應(yīng)復(fù)位信號的觸發(fā)器，而是有一定延時的觸發(fā)器，這個時候就有了復(fù)位信號偏移的問題，關(guān)于復(fù)位信號偏移的描述，我們將在異步復(fù)位中進行描述。

解決方法：?使用內(nèi)置的同步復(fù)位觸發(fā)器； 綜合的時候加入相關(guān)的綜合指令，這個和①類似。

④我們前面說過，在由內(nèi)部組合邏輯的產(chǎn)生復(fù)位信號的設(shè)計中，推薦使用同步復(fù)位。 其實這也是有缺點的，這是因為這樣產(chǎn)生復(fù)位信號的組合邏輯一方面在仿真的時候容易出現(xiàn)x態(tài)，另一方面在實際電路中，這樣的復(fù)位信號容易被外部(多個)信號影響。

解決方法：?不建議使用內(nèi)部產(chǎn)生的復(fù)位信號； 使用異步復(fù)位。

⑤門控時鐘的同步復(fù)位可能無效：使用門控時鐘的時候，由于復(fù)位信號依賴于時鐘，在復(fù)位信號發(fā)出的時候，時鐘可能關(guān)閉了。

這個時候就會導(dǎo)致實際的電路沒有被復(fù)位，如下圖所示：

解決方法：?只能使用異步復(fù)位，并在時鐘恢復(fù)前移除異步復(fù)位。

⑥總線設(shè)計中的同步復(fù)位問題:

在總線控制中，系統(tǒng)上電復(fù)位的時候，我們要求不同芯片之間的總線工作在合理的狀態(tài)上(比如處于高阻態(tài)或者輸出)； 然而上電之后，由于系統(tǒng)時鐘可能仍未正常工作，上電(同步)復(fù)位就可能無效，這個時候各個模塊(芯片)就可能不會把總線接口設(shè)置為特定的狀態(tài)，(當(dāng)多個模塊同時輸出數(shù)據(jù)到總線上時)就可能導(dǎo)致電平?jīng)_突，嚴(yán)重的話會燒壞接口。

解決辦法：?為了防止芯片上電時內(nèi)部總線出現(xiàn)競爭，有兩種解決辦法，一種是采用異步上電復(fù)位，如下圖所示:

這個時候使用了異步復(fù)位，使能信號oe輸出0，也就是有了初始的狀態(tài)

另一種方法是使用復(fù)位信號能直接撤銷三態(tài)使能的電路，如下所示:

從電路圖中可以看到復(fù)位信號一方面控制了復(fù)位邏輯，另一方面控制了三態(tài)的使能端; 這種技術(shù)簡化了復(fù)位-高阻這個條路徑的時序分析。

3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(dāng)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(dāng)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(fù)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?biāo)觸發(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(dāng)不是理想的情況下，也就是說復(fù)位信號到達目標(biāo)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(dāng)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(dān)一下負(fù)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(dāng)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。

最后說一下多時鐘域的復(fù)位：在多時鐘域復(fù)位中，外部的異步復(fù)位信號的同步釋放應(yīng)該各自的時鐘進行同步，比如異步FIFO中，寫時鐘域就用寫時鐘進行同步釋放； 讀時鐘域就用讀時鐘進行同步釋放。

審核編輯：湯梓紅