1、復(fù)位的重要性

數(shù)字電路中寄存器和 RAM 在上電之后默認(rèn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是不確定的，如果有復(fù)位，我們可以把寄存器 復(fù)位到初始狀態(tài) 0，RAM 的數(shù)據(jù)可以通過復(fù)位來觸發(fā) RAM 初始化到全 0。那可能很多人會問為什么是全 0呢？其實一般邏輯起始都是從 0 開始變化的，這個是根據(jù)設(shè)計的需要設(shè)定的一個值，如果設(shè)計需要寄存器 上電復(fù)位為 1，也是可以的。還有一種情況是邏輯進(jìn)入了錯誤的狀態(tài)，通過復(fù)位可以把所有的邏輯狀態(tài)恢復(fù) 到初始值，如果沒有復(fù)位，那么邏輯可能永遠(yuǎn)運行在錯誤的狀態(tài)。

因此復(fù)位功能是很重要的一個功能。數(shù)字電路的復(fù)位通?？煞譃椋和綇?fù)位與異步復(fù)位。

2、同步復(fù)位

同步復(fù)位：同步復(fù)位指的是當(dāng)時鐘上升沿檢測（有效沿）到復(fù)位信號，執(zhí)行復(fù)位操作，有效的時鐘沿是前提。

Verilog代碼：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號

outputregout//輸出信號

);

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk )begin

if(!rst_n)

out <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in;//其他時候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

使用Quartus II綜合出的RTL如下：

可以看到，生成的觸發(fā)器并沒有復(fù)位置位端，而是生成了一個選擇器，同步復(fù)位信號rst_n用作了選擇器的使能，從而實現(xiàn)復(fù)位清零的作用。

用如下Testbench進(jìn)行仿真（復(fù)位時間不足一個時鐘周期、復(fù)位時間超過一個時鐘周期、一個高頻復(fù)位毛刺）：

//------------------------------------------------

//--同步復(fù)位仿真

//------------------------------------------------

`timescale 1ns/1ns//時間單位/精度

//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------

module tb_rst_test();

reg clk;

reg rst_n;

regin;

wireout;

//------------<例化被測試模塊>----------------------------------------

rst_testrst_test_inst(

.clk(clk),

.rst_n(rst_n),

.in(in),

.out (out)

);

//------------<設(shè)置初始測試條件>----------------------------------------

initial begin

clk = 1'b0;

rst_n <= 1'b0;

in <= 1'b1;

#5

rst_n <= 1'b1;

#6

rst_n <= 1'b0;?

#18

rst_n <= 1'b1;

#39

rst_n <= 1'b0;

#21

rst_n <= 1'b1;

#25

rst_n <= 1'b0;

#3

rst_n <= 1'b1;?

end

//------------<設(shè)置時鐘>----------------------------------------------

always #10 clk = ~clk;//系統(tǒng)時鐘周期20ns

endmodule

仿真結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果可以看到：

第1個復(fù)位時間不足一個時鐘周期，導(dǎo)致復(fù)位不成功

第2個復(fù)位時間超過一個時鐘周期，復(fù)位成功

最后一個復(fù)位信號上的高頻毛刺信號沒有對系統(tǒng)造成誤復(fù)位

輸出信號在第一個時鐘上升沿到來之前是未知狀態(tài)

同步復(fù)位電路的優(yōu)點：

有利于仿真器的仿真

基本上沒有亞穩(wěn)態(tài)問題

可以使所設(shè)計的系統(tǒng)成為 100%的同步時序電路，有利于時序分析

由于只在時鐘有效電平到來時才有效，所以可以濾除高于時鐘頻率的復(fù)位毛刺

同步復(fù)位電路的缺點：

復(fù)位信號的有效時長必須大于時鐘周期，才能真正被系統(tǒng)識別并完成復(fù)位任務(wù)。同時還要考慮延時因素

大多數(shù)的FPGA的DFF都只有異步復(fù)位端口，采用同步復(fù)位的話，綜合器就會在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口插入組合邏輯，這樣會耗費邏輯資源

3、異步復(fù)位

異步復(fù)位：異步復(fù)位指的是無論時鐘沿是否到來，只要復(fù)位信號有效，就對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)時鐘上升沿檢測到復(fù)位信號，執(zhí)行復(fù)位操作。

Verilog代碼：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號

outputregout//輸出信號

);

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)

out <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in;//其他時候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

使用Quartus II綜合出的RTL如下：

可以看到，異步復(fù)位信號rst_n直接接入了觸發(fā)器的異步復(fù)位端，從而實現(xiàn)復(fù)位清零的作用。

依然使用之前用的Testbench進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

從仿真結(jié)果可以看到：

只要復(fù)位信號被置為低電平，就執(zhí)行復(fù)位操作，與時鐘無關(guān)

高頻毛刺信號會對系統(tǒng)造成誤復(fù)位

在不考慮亞穩(wěn)態(tài)的前提下，復(fù)位時間沒有要求

a、在復(fù)位信號釋放(release)的時候容易出現(xiàn)問題。具體就是說：倘若復(fù)位釋放時恰恰在時鐘有效沿附近，就很容易使寄存器輸出出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)。

b、復(fù)位信號容易受到毛刺的影響

異步復(fù)位電路的優(yōu)點：

大多數(shù)目標(biāo)器件庫的dff都有異步復(fù)位端口，因此采用異步復(fù)位可以節(jié)省資源

設(shè)計相對簡單，異步復(fù)位信號識別方便，而且可以很方便的使用FPGA的全局復(fù)位端口GSR

異步復(fù)位電路的缺點：

復(fù)位信號容易受到毛刺的影響

因為是異步邏輯，無法避免地存在亞穩(wěn)態(tài)問題

關(guān)于異步復(fù)位還需要考慮：

恢復(fù)時間（Recovery Time）是指異步控制信號（如寄存器的異步清除和置位控制信號）在“下個時鐘沿”來臨之前變無效的最小時間長度。這個時間的意義是，如果保證不了這個最小恢復(fù)時間，也就是說這個異步控制信號的解除與“下個時鐘沿”離得太近（但在這個時鐘沿之前），沒有給寄存器留有足夠時間來恢復(fù)至正常狀態(tài)，那么就不能保證“下個時鐘沿”能正常作用，也就是說這個“時鐘沿”可能會失效。

去除時間（Removal）是指異步控制信號（如寄存器的異步清除和置位控制信號）在“有效時鐘沿”之后變無效的最小時間長度。這個時間的意義是，如果保證不了這個去除時間，也就是說這個異步控制信號的解除與“有效時鐘沿”離得太近（但在這個時鐘沿之后），那么就不能保證有效地屏蔽這個“時鐘沿”，也就是說這個“時鐘沿”可能會起作用。

換句話來說，如果你想讓某個時鐘沿起作用，那么你就應(yīng)該在“恢復(fù)時間”之前是異步控制信號變無效，如果你想讓某個時鐘沿不起作用，那么你就應(yīng)該在“去除時間”過后使控制信號變無效。如果你的控制信號在這兩種情況之間，那么就沒法確定時鐘沿是否起作用或不起作用了，也就是說可能會造成寄存器處于不確定的狀態(tài)。而這些情況是應(yīng)該避免的。所以恢復(fù)時間和去除時間是應(yīng)該遵守的。

4、異步復(fù)位、同步釋放

結(jié)合兩種復(fù)位的優(yōu)點，可以使用異步復(fù)位、同步釋放設(shè)計，Verilog代碼如下：

//*******************同步復(fù)位模塊**************************

//-----------端口定義-------------------------------

modulerst_test(

inputclk,//工作時鐘

inputrst_n,//復(fù)位，低電平有效

inputin,//輸入信號

outputregout//輸出信號

);

//-----------reg定義-------------------------------

reg arst_n_r;

reg arst_n;

//-----------復(fù)位信號同步模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge rst_n)begin

if(!rst_n)begin

arst_n_r <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零

arst_n <= 1'b0;//復(fù)位將輸出置零?

end

else begin

arst_n_r <= 1'b1;//跟接rst_n是一樣的，都是邏輯1

arst_n <= arst_n_r;??

end

end

//-----------輸出模塊-------------------------------

always@(posedge clk or negedge arst_n)begin

if(!arst_n)

out <= 1'b0; ? ?//復(fù)位將輸出置零

else

out <= in; ? ?//其他時候?qū)⑤斎胭x值給輸出

end

endmodule

綜合出來的RTL視圖：

實際的電路圖如下：

復(fù)位信號 rst_sync_n 由高拉低時實現(xiàn) y 寄存器的異步復(fù)位。同步釋放，這個是關(guān)鍵，即當(dāng)復(fù)位信號 rst_async_n 撤除時（由低拉高），由于雙緩沖電路（雙觸發(fā)器）的作用，rst_sync_n 不會隨著rst_async_n 的 撤除而撤除。假設(shè) rst_async_n 撤除時發(fā)生在 clk 上升沿，如果不加此電路則可能發(fā)生亞穩(wěn)態(tài)事件，但是加上此電路以后，假設(shè)第一級 D 觸發(fā)器 clk 上升沿時 rst_async_n 正好撤除，（第一個 DFF 此時是處于亞穩(wěn)態(tài) 的；假設(shè)此時識別到高電平；若是識別到低電平，則增加一個 Delay）則 DFF1 輸出高電平，此時第二級觸發(fā)器也會更新輸出，但是輸出值為前一級觸發(fā)器 clk 來之前時的 Q1 輸出狀態(tài)，顯然 Q1 之前為低電平，所以第二級觸發(fā)器輸出保持復(fù)位低電平，直到下一個 clk 來之后，才隨著變?yōu)楦唠娖?，即同步釋放?/p>

使用如下Testbench進(jìn)行仿真：

//------------------------------------------------
//--同步復(fù)位仿真
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns//時間單位/精度

//------------<模塊及端口聲明>----------------------------------------
module tb_rst_test();

reg clk;
reg rst_n;
regin;

wireout;

//------------<例化被測試模塊>----------------------------------------
rst_testrst_test_inst(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.in(in),

.out (out)
);

//------------<設(shè)置初始測試條件>----------------------------------------
initial begin
clk = 1'b0;
rst_n <= 1'b0;
in <= 1'b1;
#25
rst_n <= 1'b1;
#6
rst_n <= 1'b1;
#18
rst_n <= 1'b1;
#39
rst_n <= 1'b0;
#21
rst_n <= 1'b1;
end
//------------<設(shè)置時鐘>----------------------------------------------
always #10 clk = ~clk;//系統(tǒng)時鐘周期20ns

endmodule
仿真結(jié)果如下：

可以看到：復(fù)位是異步進(jìn)行的，一旦復(fù)位信號為低電平，則輸出復(fù)位，而復(fù)位的撤除則被同步到了時鐘域下。如此一來，既解決了同步復(fù)位的資源消耗問題，也解決了異步復(fù)位的亞穩(wěn)態(tài)問題。其根本思想，也是將異步信號同步化。

聲明： 本文轉(zhuǎn)載自csdn:孤獨的單刀，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問題，請于聯(lián)系工作人員微（in0723mango），我們將在第一時間和您對接刪除處理! 投稿/招聘/廣告/課程合作/資源置換請加微信：13237418207

Xilinx FPGA的約束設(shè)計和時序分析總結(jié)