同步和異步復(fù)位

1、同步和異步復(fù)位1、 一談到復(fù)位操作，我們幾乎再熟悉不過(guò)了。但令人煩心的是，異常的復(fù)位操作卻時(shí)而發(fā)生。 對(duì)于單獨(dú)的asic 設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)， reset 信號(hào)主要目的是為了在仿真過(guò)程中強(qiáng)制使整個(gè)asic設(shè)計(jì)進(jìn)入一個(gè)已知的工作狀態(tài)。對(duì)于大多數(shù)asic 設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，對(duì)數(shù)據(jù)的處理都是遵循同一個(gè)規(guī)則即：先同步，再處理，最后輸出。如果同步信號(hào)丟失，那么asic 將會(huì)重新進(jìn)行再獲取同步的操作。如果這類(lèi)asic的設(shè)計(jì)完全正確，那么所有未使用的狀態(tài)都將會(huì)指向“開(kāi)始獲得同步信號(hào)”狀態(tài)。 這類(lèi)系統(tǒng)能夠在沒(méi)有reset 信號(hào)情況下正確運(yùn)行。如果一個(gè)asic 設(shè)計(jì)中其狀態(tài)機(jī)在綜合階段采用了“dontcare”邏輯狀態(tài)的話(huà)，那么

2、這個(gè)系統(tǒng)就需要reset 復(fù)位信號(hào)。筆者認(rèn)為，通常情況下asic 設(shè)計(jì)中每個(gè)觸發(fā)器都應(yīng)當(dāng)有復(fù)位端口，不管這個(gè)系統(tǒng)是否需要。但有些狀況例外， 比如在高速應(yīng)用的場(chǎng)合，一些跟隨觸發(fā)器 （ follower ff用作簡(jiǎn)單的移位寄存器）為了達(dá)到更高的性能而不需要reset 端。另外，我們還需要考慮不同的復(fù)位策略，即如果系統(tǒng)需要，那么到底是使用同步還是異步復(fù)位。首先我們來(lái)研究一下同步復(fù)位。2、 觸發(fā)器通常的編碼風(fēng)格同步復(fù)位觸發(fā)器與無(wú)reset 的跟隨觸發(fā)器圖 1 編碼風(fēng)格1 中兩個(gè) ff ，一個(gè)帶同步復(fù)位，一個(gè)不帶圖 1 中的第一個(gè)觸發(fā)器帶同步reset，由它采樣的數(shù)據(jù)q1 傳遞給第二個(gè)觸發(fā)器；第二個(gè)觸發(fā)

3、器不帶reset，它的作用就是簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)移位。正確的代碼風(fēng)格1 如下：注意如果采用下面編碼風(fēng)格2 會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？此代碼綜合出的邏輯如圖2 所示。圖 2 編碼風(fēng)格 2 第二個(gè)觸發(fā)器產(chǎn)生了一個(gè)不需要的加載使能信號(hào)由于代碼中把一級(jí)觸發(fā)器和二級(jí)觸發(fā)器放在了一個(gè)進(jìn)程塊中處理，所以一級(jí)觸發(fā)器的同步 reset 信號(hào) rst_n 將作為二級(jí)觸發(fā)器的加載使能信號(hào)， 而這屬于多余的邏輯， 我們并不需要！造成以上編碼風(fēng)格1 和 2 產(chǎn)生的不同邏輯的原因在于使用了同步reset，如果采用異步reset 策略，那么兩種編碼風(fēng)格所生成的邏輯是完全相同的，不會(huì)產(chǎn)生多余的邏輯。這其中是因?yàn)檫M(jìn)程塊中敏感列表以及if-else

4、 判斷語(yǔ)句的影響，我們將在下文中詳細(xì)說(shuō)明。3、 同步復(fù)位許多關(guān)于同步復(fù)位的文章，大都表述一個(gè)觀(guān)點(diǎn)：“在 asic 設(shè)計(jì)中要嚴(yán)格使用同步復(fù)位”或者類(lèi)似 “異步復(fù)位應(yīng)該被避免使用” 。然而，為何要這么做，確很少有人明確說(shuō)明。實(shí)際上，同步復(fù)位和異步復(fù)位都各有千秋， 到底使用哪種復(fù)位策略， 設(shè)計(jì)者需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需要來(lái)確定。同步復(fù)位是僅在時(shí)鐘有效邊沿到來(lái)時(shí)有效的，這種同步reset 信號(hào)可以當(dāng)做組合邏輯的輸入來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)器的 d 輸入信號(hào)。（圖 1 可知） 如果采用同步復(fù)位策略， 那么編碼風(fēng)格就必須使用 if-else 結(jié)構(gòu)，且 reset 信號(hào)作為 if 的判斷條件（ reset 信號(hào)不在敏感列表中

5、） ，其余的組合邏輯都在 else 部分中。如果不嚴(yán)格遵循這種編碼風(fēng)格，可能會(huì)產(chǎn)生兩種問(wèn)題。第一種情況，有可能一些仿真器無(wú)法通過(guò)；第二種情況，造成較大延時(shí)，當(dāng)復(fù)位信號(hào)到來(lái)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量避免其通過(guò)過(guò)多的邏輯。圖 3 所示的邏輯為帶有加載使能端的同步復(fù)位計(jì)數(shù)器（帶進(jìn)位）。是圖 3 同步復(fù)位的加載使能計(jì)數(shù)器圖 3 可以看出同步復(fù)位信號(hào)rst_n 增加了路徑延時(shí) （ rst_n 與處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)組合邏輯作為觸發(fā)器 d 輸入），代碼如下：使用同步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)在于， 帶同步復(fù)位端的觸發(fā)器綜合出來(lái)的面積更小， 但同時(shí)也帶來(lái)組合邏輯門(mén)數(shù)量的增加， 如果一個(gè)設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)緊湊， 要求每個(gè)觸發(fā)器要節(jié)省一到兩個(gè)邏輯門(mén)數(shù)量

6、以便于 asic 能夠封裝進(jìn)裸片。但對(duì)如今的大容量裸片工藝來(lái)說(shuō)，每個(gè)觸發(fā)器是否能節(jié)省一兩個(gè)邏輯門(mén)似乎無(wú)關(guān)緊要了。在仿真方面， 同步復(fù)位的系統(tǒng)能夠很好的工作在基于時(shí)鐘周期采樣的仿真器中。 而且能保證整個(gè)電路百分百的同步。同步復(fù)位確保了復(fù)位操作僅在時(shí)鐘有效邊沿發(fā)生， 這樣可以過(guò)濾小的復(fù)位毛刺， 但如果毛刺離時(shí)鐘有效沿太近， 觸發(fā)器輸出狀態(tài)可能是亞穩(wěn)態(tài)。 另外當(dāng)有些復(fù)位信號(hào)是由一系列內(nèi)部邏輯產(chǎn)生的，這種情況下推薦同步復(fù)位策略，可以有效的過(guò)濾毛刺。使用同步復(fù)位的缺點(diǎn)在于復(fù)位信號(hào)需要一個(gè)脈沖的延展以確保在時(shí)鐘有效邊沿到來(lái)時(shí)，復(fù)位脈沖寬度足夠，使得數(shù)據(jù)被穩(wěn)定的采入。這正是同步復(fù)位特點(diǎn)，整個(gè)電路的復(fù)位操作需

7、要一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成。這對(duì)于某些設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)并不是壞處，但對(duì)于另一些設(shè)計(jì)卻有問(wèn)題。如果 ASIC 或 FPGA 含有內(nèi)部三態(tài)總線(xiàn)，為防止內(nèi)部三態(tài)總線(xiàn)在芯片加電時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)，同步復(fù)位的芯片必須有一個(gè)上電異步復(fù)位。4、 異步復(fù)位異步復(fù)位是筆者喜歡的復(fù)位方法。但是， 單獨(dú)的異步復(fù)位很危險(xiǎn)。很多設(shè)計(jì)者都喜歡把他們的電路加上復(fù)位操作使之返回到已知的工作狀態(tài)。異步復(fù)位最大的問(wèn)題在于復(fù)位信號(hào)的釋放，換句話(huà)說(shuō)就是復(fù)位信號(hào)的移除。 異步復(fù)位觸發(fā)器都包含一個(gè)異步復(fù)位引腳， 這個(gè)引腳通常低有效。異步復(fù)位觸發(fā)器的編碼風(fēng)格如下：注意到 reset 信號(hào) rst_n 是敏感列表的一部分，所以說(shuō)同樣是邊沿有效信號(hào)。使用異步復(fù)位最大

8、的好處在于，只要廠(chǎng)商提供了異步復(fù)位觸發(fā)器，那數(shù)據(jù)路徑就能確保無(wú)延時(shí)清潔可控。不會(huì)像同步復(fù)位電路出現(xiàn)的路徑延時(shí)（圖 3）。下面是帶有加載使能端的異步復(fù)位計(jì)數(shù)器（帶進(jìn)位）代碼：綜合出來(lái)的邏輯圖如圖4 所示。圖 4 異步復(fù)位加載使能計(jì)數(shù)器由圖 4 可以看出異步復(fù)位不會(huì)產(chǎn)生額外的邏輯延時(shí)。但是異步復(fù)位也存在缺點(diǎn)，其最大的問(wèn)題在于它們是異步的，這里的它們指的是異步復(fù)位信號(hào) reset 的變低有效，變高無(wú)效都是異步的。特別是變高無(wú)效，我們也可以稱(chēng)之為復(fù)位信號(hào)釋放，如果復(fù)位釋放后與第一個(gè)時(shí)鐘有效邊沿時(shí)間間隔過(guò)小， 那么使得觸發(fā)器輸出為亞穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而使得系統(tǒng)復(fù)位狀態(tài)異常。許多設(shè)計(jì)工程師都喜歡應(yīng)用異步復(fù)位操作， 并認(rèn)識(shí)不會(huì)有問(wèn)題。 因?yàn)樗麄冊(cè)诜抡姝h(huán)境 （可控的環(huán)境）下測(cè)試了 reset 信號(hào)，一切都工作正常。但系統(tǒng)完成后的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中（不可控）卻間斷性的出現(xiàn)錯(cuò)誤。 這的確很令人煩心， 因?yàn)樵O(shè)計(jì)者沒(méi)有考慮到系統(tǒng)中復(fù)位信號(hào)的釋放的問(wèn)題， 而這個(gè)問(wèn)題往往導(dǎo)致芯片進(jìn)入一個(gè)未知的亞穩(wěn)狀態(tài)，復(fù)位操作失效。 我們必須重視這個(gè)問(wèn)題， 即使是在同步復(fù)位的系統(tǒng)中， 有效的異步復(fù)位信號(hào)釋放 （對(duì)低電平有效的復(fù)位來(lái)說(shuō)就是上跳沿）與緊跟其后的第一個(gè)時(shí)鐘有效沿之間也必須有最小的時(shí)間間隔。如圖5 所示，異步復(fù)位信號(hào)變高無(wú)效操作時(shí)與時(shí)鐘異步的，這里有兩種潛在可能出現(xiàn)的問(wèn)題：（