FPGA中三種常用復(fù)位電路

在FPGA設(shè)計(jì)中，復(fù)位電路是非常重要的一部分，它能夠確保系統(tǒng)從初始狀態(tài)開(kāi)始啟動(dòng)并保證正確運(yùn)行。 本文將分別介紹FPGA中三種常用復(fù)位電路：同步復(fù)位、異步復(fù)位和異步復(fù)位同步釋放，以及相應(yīng)的Verilog代碼示例。

異步復(fù)位 or 同步復(fù)位 or 異步復(fù)位同步釋放，真的是“異步復(fù)位同步釋放”更好嗎？

一、同步復(fù)位

同步復(fù)位是一種在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿或上升沿觸發(fā)的復(fù)位方式，復(fù)位信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)同步。 由于在同步復(fù)位中，復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)是同步的，因此可以確保復(fù)位操作的穩(wěn)定和可預(yù)測(cè)性。 同步復(fù)位通常由一個(gè)或多個(gè)寄存器實(shí)現(xiàn)，如下面的實(shí)例：

module sync_reset(
  input clk,
  input rstn,
  input data_in,
  output reg data_out
);

always @(posedge clk) begin
  if(!rstn) begin
       data_out <= 'b0;
  end else begin
       data_out <= data_in;
  end
end

endmodule

在上述代碼中，rst是同步復(fù)位信號(hào)，當(dāng)時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器將被初始化。

綜合后電路圖如下：

從圖中可看出，綜合后，調(diào)用的（D Flip-Flop with Clock Enable and Synchronous Reset帶使能功能的同步清除D觸發(fā)器） FDRE型D觸發(fā)器。

二、異步復(fù)位

異步復(fù)位是一種在時(shí)鐘信號(hào)之外觸發(fā)的復(fù)位方式，不管時(shí)鐘邊沿信號(hào)有沒(méi)有到來(lái)，只要復(fù)位有效信號(hào)到來(lái)，即執(zhí)行復(fù)位操作。 以下是異步復(fù)位的基本代碼示例：

module async_reset(
  input clk,
  input rstn,
  input data_in,
  output reg data_out
);


always @(posedge clk or negedge rstn) begin
  if(!rstn) begin
    data_out <= 'b0;
  end else begin
    data_out <= data_in;
  end
end

endmodule

在異步復(fù)位中，rst信號(hào)不需要和時(shí)鐘信號(hào)同步，并且可以在任何時(shí)候生效。在上述代碼中，rst信號(hào)被用來(lái)異步地清零計(jì)數(shù)器的值，并且不需要等待時(shí)鐘信號(hào)。

綜合后電路如下：

從圖中可看出，綜合后，調(diào)用的（D Flip-Flop with Clock Enable and AsynchronousReset帶使能功能的異步清除D觸發(fā)器） FDCE型D觸發(fā)器。

三、異步復(fù)位同步釋放

異步復(fù)位同步釋放通常是這種說(shuō)法，一種結(jié)合了異步與同步復(fù)位優(yōu)點(diǎn)的復(fù)位方式，它使用一個(gè)同步器來(lái)將異步復(fù)位信號(hào)轉(zhuǎn)換為同步的復(fù)位信號(hào)，從而確保復(fù)位操作的可控性和穩(wěn)定性。以下是異步復(fù)位同步釋放的基本代碼示例：

module test_reset(
  input clk,
  input rstn,
  input data_in,
  output reg data_out
);

reg arstn_r, arstn_s_r;

always @(posedge clk or negedge rstn) begin
  if(!rstn) begin
      arstn_r <= 'b0;
      arstn_s_r <= 'b0;
  end else begin
      arstn_r <= 'b1;
      arstn_s_r <= arstn_r;
  end
end

always @(posedge clk or negedge arstn_s_r ) begin
  if(!arstn_s_r ) begin
      data_out<= 'b0;
  end else begin
      data_out<= data_in;
  end
end

endmodule

在上述代碼中，rstn是異步復(fù)位信號(hào)，在異步復(fù)位條件下，計(jì)數(shù)器會(huì)被清零并重置其他必要的信號(hào)。rstn信號(hào)經(jīng)過(guò)異步和同步兩級(jí)的處理后，生成了一個(gè)同步釋放的復(fù)位信號(hào)arstn_s_r ，它與時(shí)鐘信號(hào)同步并在時(shí)鐘邊緣上生效。然后，同步復(fù)位電路將控制信號(hào)傳遞給其他電路，使其從復(fù)位狀態(tài)轉(zhuǎn)換到正常操作狀態(tài)。

綜合后電路如下：

從圖中可看出，即使復(fù)位信號(hào)通過(guò)兩級(jí)同步處理，也是用的兩個(gè)異步復(fù)位D觸發(fā)器FDCE實(shí)現(xiàn)的，所以實(shí)際上無(wú)需做這種異步復(fù)位同步釋放的處理。

四、總結(jié)

在實(shí)際應(yīng)用中，選擇合適的復(fù)位方式取決于具體的設(shè)計(jì)要求和運(yùn)行環(huán)境，但實(shí)際上我們寫(xiě)verilog代碼常用的是異步復(fù)位的方式，當(dāng)然關(guān)于復(fù)位設(shè)計(jì)，真的需要每一個(gè)寄存器都復(fù)位嗎，下一個(gè)文章，我們?cè)賮?lái)嘮嘮。