FPGA基础知识11(FPGA异步复位同步释放解析)

需求说明：IC设计基础


内容       ：异步复位，同步释放

来自       ：时间的诗

原文：http://blog.csdn.net/verylogic/article/details/14482267


FPGA开发中，一种最常用的复位技术就是“异步复位同步释放”，这个技术比较难以理解，很多资料对其说得并不透彻，没有讲到本质，但是它又很重要，所以对它必须理解，这里给出我的看法。


讲到这个之前，我们要先熟悉recovery time和removal time的概念。如下图：



对于异步复位而言，假设是低电平有效，那么很容易碰到的情况就是我在释放该信号的时候，发现它的释放沿居然跟时钟跳变沿太接近了！这会导致D触发器处于亚稳态。

我们知道，上图的reset_n信号是接D触发器的直接复位端的。如果两个跳变沿过于接近，那么D触发器就有可能发现自己该采样了，但是复位信号还没取消呢！采还是不采就不能确定。所以，我们要求reset_n信号释放的时候，必须远离clock上升沿recovery time +removal time这么大的时间区域，其中clock上升沿之前的必须远离的那段时间叫做recovery time，上升沿之后必须远离的那段时间叫做removel time。简单的讲，两者不能同时跳变，或者接近同时跳变！

 

为了避免释放的时候造成亚稳态问题，提出了“异步复位，同步释放”的解决办法。所谓异步复位，就是复位信号可以直接不受时钟信号影响，在任意时刻只要是低电平就能复位（假如约定低电平复位），也就是说，复位信号不需要和时钟同步。而同步释放就很有意思了，它的意思是让复位信号取消的时候，必须跟时钟信号同步，也就是说正好跟时钟同沿。这就奇怪了！因为之前我们刚讲，要避免复位释放沿跟时钟沿同步。这里为什么就可以了呢？

我们先看一个异步复位同步释放的代码，Verilog代码如下：

module prac (
clk,
reset_n,
dataa,
datab,
outa,
outb
);
input clk;
input reset_n;
input dataa;
input datab;
output outa;
output outb;
reg reg1;
reg reg2;
reg reg3;
reg reg4;
assign outa = reg1;
assign outb = reg2;
assign rst_n = reg4;
always @ (posedge clk or negedge reset_n) //“异步复位同步释放”的复位模块
begin
if (!reset_n)
begin
reg3 <= 1'b0;
reg4 <= 1'b0;
end
else
begin
reg3 <= 1'b1;
reg4 <= reg3;
end
end

always @ (posedge clk or negedge rst_n) //功能模块，注意rst_n是沿变驱动。
begin
if (!rst_n)
begin
reg1 <= 1'b0;
reg2 <= 1'b0;
end
else
begin
reg1 <= dataa;
reg2 <= datab;
end
end
endmodule

综合后的RTL图表如下：





下面对上面的图进行解说。我们看到，真正驱动reg2和reg1等功能模块工作的复位信号其实是rst_n信号，而rst_n信号则是异步复位端reset_n经过reg3和reg4两级寄器之后的产生的新的复位信号。其中reset_n为异步复位，而rst_n则是经过同步释放得到的新的复位驱动信号。rst_n将与时钟沿同步，所以它本质上是同步复位信号。

 

这样，通过reg3和reg4两级锁存，就把reset_n从一个异步复位端口，加工成了一个输出同步复位rst_n的模块。

 

reg3的输入端永远接“1”，所以某时刻，正常情况下，reg3和reg4都输出“1”。“假设在某时刻，reset_n信号被拉为低电平，这将导致reg3和reg4直接复位，输出为“0”，从而使rst_n为0，实现异步复位；而且reg4是在时钟沿作用下采样，所以reg4从“1”跳变为“0”的时刻一定跟时钟沿是同步的，这就得到了一个同步释放的结果”。而reg2和reg1都是时钟沿驱动，所以这种同步释放的rst_n将可以有效的驱动后面的复位，不会造成亚稳态效应。

 

我们看到，其实最后我们也就是实现了同步复位的功能，那我们为什么不直接使用同步复位来写呢？原因在于，很多模块本身不具有同步复位端口，但是基本都支持异步复位，所以使用异步复位更加节省资源，如果一定要实现同步复位，那么会生成更多组合逻辑。比如图中所有寄存器的CLR端口其实就是异步复位端口。而通过上面多加了reg4触发，我们让CLR这个异步复位的端口实现了同步复位的功能，而同步复位信号效果更好，对毛刺抑制能力强，这就是“异步复位同步释放”的意义。所以让异步复位端口实现同步复位功能，这才是“异步复位同步释放的本质”！