[转]同步复位和异步复位

推荐的复位方式：异步复位、同步释放

描述代码及对应的RTL电路：

 

HDL源代码

对应的RTL电路

module Rst_Circuit(

                    Rst_n,

                    Clk,

                    D,

                    Q

                );

input Rst_n;

input Clk;

input D;

output Q;

reg Rst_Reg_n;

reg Q;

    always @(posedge Clk)

        begin

            //将异步复位信号先用Clk同步一下

            Rst_Reg_n <= Rst_n;

        end

    //如果没有加"or negedge Rst_Reg_n",将变成同步复位

    always @(posedge Clk or negedge Rst_Reg_n) 

        begin

            if (~Rst_Reg_n)

                begin

                    Q <= 1'd0;

                end

            else

                begin

                    Q <= D;

                end

        end

endmodule

 

注：最好在模块外面将异步复位信号同步好，再送至各模块，这样各个模块内部就不需要再分别单独同步了。

 

下面具体阐述一下同步、异步复位的区别，以及为什么要采用这种方式的原因。

复位电路是每个数字逻辑电路中最重要的组成部分之一。

复位电路有两个工作目的：

1、 仿真的时候使电路进入初始状态或者其它预知状态；
2、 对于综合实现的真实电路，通过复位使电路进入初始状态或者其它预知状态。

一般来说，逻辑电路的任何一个寄存器、存储器结构和其它逻辑单元都必须要附加复位逻辑电路，以保证电路能够从错误状态中恢复，可靠地工作。

常用的复位信号为低电平有效信号，在应用时外部引脚接上上拉电阻，这样能增加复位电路的抗干扰性能。

复位方式大致分为两类，即同步复位和异步复位。这两种复位方式各有优缺点，其应用场合也各不相同。

 

同步复位

异步复位

所谓同步复位是指当复位信号发生变化时，并不立刻生效，只有当有效时钟沿采样到已变化的复位信号后，才对所有寄存器复位。同步复位的应用要点如下：

·   指定同步复位时，always的敏感表中仅有时钟沿信号，仅仅当时钟沿采到同步复位的有效电平时，才会在时钟沿到达时刻进行复位操作。

所谓异步复位是指当复位信号有效沿到达时，无论时钟沿是否有效，都会立即对目标（如寄存器、RAM等）复位。异步复位的应用要点如下：

·   指定异步复位时，只需always的敏感表中加入复位信号的有效沿即可，当复位信号有效沿到达时，无论时钟沿是否有效，复位都会立即发挥其功能。

module Rst_Circuit(

                   Rst_n,

                   Clk,

                   D,

                   Q

               );

input Rst_n;

input Clk;

input D;

output Q;

reg Q;

   always @(posedge Clk) //同步复位

       begin

           if (~Rst_n)

               begin

                   Q <= 1'd0;

               end

           else

               begin

                   Q <= D;

               end

       end

endmodule

module Rst_Circuit(

                    Rst_n,

                    Clk,

                    D,

                    Q

                );

input Rst_n;

input Clk;

input D;

output Q;

reg Q;

    //如果没有写"or negedge Rst_n",将变成同步复位

    always @(posedge Clk or negedge Rst_n) 

        begin

            if (~Rst_n)

                begin

                    Q <= 1'd0;

                end

            else

                begin

                    Q <= D;

                end

        end

endmodule

·   如果目标器件或可用库中的触发器本身包含同步复位端口，则在实现同步复位电路时可以直接调用同步复位端。然后很多目标器件（如PLD）和ASIC 库的触发器本身并不包含同步复位端口，这样复位信号与输入信号组成某种组合逻辑（比如复位低电平有效，只需复位与输入信号相与即可），然后将其输入到寄存 器的输入端。为了提高复位电路的优先级，一般在电路描述时使用带有优先级的if...else结构，复位电路在第一个if下描述，其它电路在else或else...if分支中描述。

 

·   大多数目标器件（如FPGA和CPLD）和ASIC库的触发器都包含异步复位端口，异步复位会被直接接到触发器的异步复位端口，如图所示：

 

同步复位的优点如下：

·   同步复位利于基于周期机制的仿真器进行仿真；

·   使用同步复位可以设计100%的同步时序电路，有利于时序分析，其综合结果的频率往往较高；

·   同步复位仅在时钟的有效沿生效，可以有效地避免因复位电路毛刺造成的亚稳态和错误。同步复位在进行复位和释放复位信号时，都是仅当时钟 沿采到复位信号电平变化时才进行相关操作，如果复位信号树的组合逻辑出现了某种毛刺，此时时钟沿采样到毛刺的概率非常低，这样通过时钟沿采样，可以十分有 效地过滤复位电路组合逻辑产生的毛刺，增强了电路稳定性。

异步复位的优点如下：

·   由于多数目标器件（如FPGA和CPLD）和ASIC库的触发器都包含异步复位端口，异步复位会节约逻辑资源；

·   异步复位设计简单；

·   对于大多数FPGA，都有专用的全局异步复位/置位资源（GSR，Global Set Reset），使用GSR资源，异步复位到达所有寄存器的偏斜（skew）最小。

同步复位的缺点如下：

·   很多目标器件（如FPGA和CPLD）和ASIC库的触发器本身并不包含同步复位端口，使用同步复位会增加更多逻辑资源；

·   同步复位的最大问题在于必须保证复位信号的有效时间足够 长，这样才能保证所有触发器都能有效地复位。由于同步复位仅当时钟沿采样到复位信号时才会进行复位操作，所以其信号的持续时间起码要大于设计的最长时钟周 期，以保证所有时钟的有效沿都能采样到同步复位信号。事实上，仅仅保证同步复位信号的持续时间大于最慢的时钟周期还是不够的，设计中还要考虑到同步复位信 号树通过所有相关组合逻辑路径时的延时，以及由于时钟布线产生的偏斜（skew）。这样，只有同步复位大于时钟最大周期，加上同步信号穿过的组合逻辑路径 延时，再加上时钟偏斜延时，才能保证同步复位可靠、彻底。如图所示，假设同步复位逻辑树组合逻辑的延时为t1，复位信号传播路径的最大延时为t2，最慢时 钟的周期为Period_max，时钟的skew为Clk2-Clk1，则同步复位的周期Tsyn_rst应该满足如下公式：

Tsyn_rst > Period_max + (Clk2 – Clk1) + t1 + t2

 

 

异步复位的缺点如下：

·   异步复位的作用和释放与时钟沿没有直接关系，异步复位生效时问题并不明显；但是当释放异步复位时，如果异步复位信号释放时间和时钟的有效沿到达时间几乎一致，则容易造成触发器输出为亚稳态，形成逻辑错误；

·   如果异步复位逻辑树的组合逻辑产生了毛刺，则毛刺的有效沿会使触发器误复位，造成逻辑错误。

 

 

推荐的复位电路设计方式是异步复位、同步释放。这种方式，可以有效地继承异步复位设计简单的优势，并克服异步复位的上述风险和缺陷。在FPGA和CPLD等可编程逻辑器件设计中，使用异步复位、同步释放可以节约器件资源，并获得稳定可靠的复位效果。

reg Rst_Reg_n;

reg Q;

    always @(posedge Clk)

        begin

            Rst_Reg_n <= Rst_n;  //将异步复位信号先用Clk同步一下

        end

    always @(posedge Clk or negedge Rst_Reg_n) //如果没有写"or negedge Rst_Reg_n",将变成同步复位

        begin

            if (~Rst_Reg_n)

                begin

                    Q <= 1'd0;

                end

            else

                begin

                    Q <= D;

                end

        end

这里使用时钟将外部输入的异步复位信号寄存一个节拍后，再送到触发器异步复位端口的设计方法的另一个好处在于，做STA（静态时序分析）分析时，时序工具会自动检查同步后的异步复位信号和时钟的到达（Recovery）/撤销（Removal）时间关系，如果因布线造成的skew导致该到达/撤销时间不能满足，STA工具会上报该路径，帮助设计者进一步分析问题，如图所示：