異步復(fù)位

(1)異步復(fù)位電路

異步復(fù)位觸發(fā)器則是在設(shè)計(jì)觸發(fā)器的時(shí)候加入了一個(gè)復(fù)位引腳，也就是說 復(fù)位邏輯集成在觸發(fā)器里面 。(一般情況下)低電平的復(fù)位信號(hào)到達(dá)觸發(fā)器的復(fù)位端時(shí)，觸發(fā)器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，直到復(fù)位信號(hào)撤離。帶異步復(fù)位的觸發(fā)器電路圖和RTL代碼如下所示:

(2)異步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)

①使用異步復(fù)位的最大好處就是 復(fù)位路徑上沒有延時(shí) ，如上面的圖所示，復(fù)位信號(hào)一直連接到觸發(fā)器的復(fù)位端口，而不是像同步復(fù)位那樣需要經(jīng)過一個(gè)復(fù)位控制邏輯(如與門)。這樣子就減少了外界信號(hào)的影響。

②與時(shí)鐘沒有關(guān)系，不管時(shí)鐘上升沿有沒有到來，只要復(fù)位信號(hào)一有效，觸發(fā)器就會(huì)復(fù)位，也就是基本上做到實(shí)時(shí)性；由于與時(shí)鐘沒有關(guān)系，因此也可以用在門控時(shí)鐘里面。

③綜合工具能自動(dòng)推斷出異步復(fù)位而不必加入任何綜合指令。

(3)異步復(fù)位的缺點(diǎn)

①?gòu)?fù)位撤離問題

在介紹復(fù)位撤離問題之前，先說一下復(fù)位恢復(fù)時(shí)間和去除時(shí)間。所謂的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間是指撤離一個(gè)復(fù)位信號(hào)時(shí)，復(fù)位信號(hào)從有效跳變?yōu)闊o效的時(shí)刻 與 下一個(gè)有效時(shí)鐘沿 之間的這段時(shí)間；去除時(shí)間是指撤離一個(gè)復(fù)位信號(hào)時(shí)，復(fù)位信號(hào)從有效跳變?yōu)闊o效的時(shí)刻 與 上一個(gè)有效時(shí)鐘沿 之間的這段時(shí)間（可以類比于觸發(fā)器的建立時(shí)間和保持時(shí)間）。如下圖所示:

上圖中，rst_n1是要求的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間，rst_n2滿足復(fù)位恢復(fù)時(shí)間，rst_n3復(fù)位恢復(fù)時(shí)間不足。

上圖中，rst_nA是要求的復(fù)位去除時(shí)間，rst_n2滿足復(fù)位去除時(shí)間，rst_n3復(fù)位去除時(shí)間不足。

從上面的兩個(gè)圖中可以知道，如果你想 讓某個(gè)時(shí)鐘沿起作用（也就是采數(shù)據(jù)） ，那么你就應(yīng)該在“恢復(fù)時(shí)間”之前讓異步控制信號(hào)變無效；如果你想讓某個(gè)時(shí)鐘沿不起作用（也就是在這個(gè)時(shí)鐘沿依舊復(fù)位），那么你就應(yīng)該在“去除時(shí)間”過后使控制信號(hào)變無效。異步復(fù)位信號(hào)的恢復(fù)和去除時(shí)間需要大于一定的時(shí)間，如果你的異步復(fù)位信號(hào)在這兩種情況之間（撤離），那么就沒法確定時(shí)鐘沿是否起作用了，即判斷不出是復(fù)位還是不復(fù)位（不復(fù)位即是D觸發(fā)器才輸入端的數(shù)據(jù)）。

介紹了復(fù)位恢復(fù)時(shí)間和去除時(shí)間之后，我們就可以看看異步復(fù)位信號(hào)的問題了。由于異步復(fù)位信號(hào)與系統(tǒng)時(shí)鐘毫無關(guān)系，復(fù)位可以在隨時(shí)施加，也可以隨時(shí)撤離。在施加的時(shí)候復(fù)位信號(hào)的時(shí)候，不存在任何問題，因?yàn)檫@跟復(fù)位恢復(fù)時(shí)間扯不上關(guān)系。但是，在撤離復(fù)位信號(hào)的情況下就有問題了，主要有兩個(gè)問題:

·當(dāng)異步復(fù)位信號(hào)的撤離時(shí)刻在時(shí)鐘有有效沿附近時(shí)，就可能導(dǎo)致恢復(fù)時(shí)間或去除時(shí)間不足，即這個(gè)時(shí)候違背了復(fù)位恢復(fù)時(shí)間或去除時(shí)間，這時(shí)就可能導(dǎo)致觸發(fā)器的輸出端為亞穩(wěn)態(tài)（注意是 可能 ），如下所示:

但是并不是所有情況都會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，當(dāng)復(fù)位值和此時(shí)的的輸出相同時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)，如下圖所示：

這是因?yàn)椋簭?fù)位信號(hào)翻轉(zhuǎn)的時(shí)候，如果復(fù)位信號(hào)判斷是 低電平 ，輸出就復(fù)位即一定是低電平；如果判斷復(fù)位信號(hào)是 高電平 ， 輸出信號(hào)就等于對(duì)輸入信號(hào)的采樣值 。圖里面 輸入信號(hào)就是低電平 ，不管你是復(fù)位還是不復(fù)位，輸出一直是低電平，沒有亞穩(wěn)態(tài)。

·復(fù)位狀態(tài)不一致的問題:

復(fù)位信號(hào)很時(shí)鐘信號(hào)一樣，復(fù)位通過復(fù)位網(wǎng)絡(luò)到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器。一方面，復(fù)位網(wǎng)絡(luò)具有非常大的扇出和負(fù)載，到達(dá)不同的觸發(fā)器存在不同的延時(shí)，也就是存在復(fù)位偏移，因此撤離異步復(fù)位的時(shí)刻也是不一樣的;另一方面，由于時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)也存在時(shí)鐘偏移。這個(gè)時(shí)候異步復(fù)位信號(hào)就有可能在不同的觸發(fā)器的不同時(shí)鐘周期內(nèi)進(jìn)行撤離，也就是說異步復(fù)位的信號(hào)不一致，如下圖所示:

異步復(fù)位信號(hào) a是異步復(fù)位信號(hào)源 ，異步復(fù)位信號(hào)b、c、d是到達(dá)觸發(fā)器的異步信號(hào)。我們可以看到， b信號(hào)是在本周期就撤離了復(fù)位 ;c信號(hào)則由于復(fù)位恢復(fù)時(shí)間不滿足，則可能導(dǎo)致觸發(fā)器輸出亞穩(wěn)態(tài);而 d信號(hào)則由于延時(shí)太長(zhǎng)（但是滿足了復(fù)位去除時(shí)間），在下一個(gè)周期才撤離復(fù)位 。

撤離問題的解決方法:異步復(fù)位的同步釋放

異步復(fù)位的同步釋放電路也稱為 復(fù)位同步器 ，這個(gè)方法是 將外部輸入的異步復(fù)位信號(hào)進(jìn)行處理 ，產(chǎn)生另外一個(gè)適合用于后面電路的復(fù)位信號(hào)，這個(gè)處理后的復(fù)位信號(hào)能夠異步復(fù)位電路中的觸發(fā)器，又不會(huì)存在撤離問題（因?yàn)榻?jīng)過了同步）；這個(gè)異步復(fù)位同步釋放的處理電路和RTL代碼如下所示:

從圖中可以看到，這是 用外部異步復(fù)位信號(hào)來復(fù)位一對(duì)觸發(fā)器 ，這對(duì)觸發(fā)器異步地驅(qū)動(dòng)主復(fù)位信號(hào)，也就是這對(duì)觸發(fā)器產(chǎn)生電路需要的復(fù)位信號(hào)，這些復(fù)位信號(hào)再到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器，然后進(jìn)行復(fù)位，理想的異步復(fù)位同步釋放的時(shí)序如下所示:

上圖中，在理想的情況下，復(fù)位信號(hào)在兩級(jí)D觸發(fā)器上面的撤離時(shí)間可能不一樣，這個(gè)和復(fù)位信號(hào)傳輸?shù)降挠|發(fā)器位置和觸發(fā)器的時(shí)鐘沿有關(guān)。 理想情況下的復(fù)位信號(hào)傳輸?shù)侥繕?biāo)觸發(fā)器都能夠同時(shí)撤離，并且不在時(shí)鐘有效沿附近 。

實(shí)際情況一般不是那么理想的，當(dāng)不是理想的情況下，也就是說復(fù)位信號(hào)到達(dá)目標(biāo)寄存器存在時(shí)鐘偏移，并且復(fù)位信號(hào)有可能在時(shí)鐘有效沿附近撤離，這個(gè)時(shí)候復(fù)位器出現(xiàn)的問題就有三種：第一級(jí)OK，第二級(jí)出現(xiàn)問題；第一級(jí)出現(xiàn)問題，第二級(jí)OK；兩級(jí)都出現(xiàn)問題。下面我們就來看看這三種情況下產(chǎn)生的復(fù)位信號(hào)是什么情況：

第一級(jí)的撤離沒有問題，第二級(jí)的撤離出現(xiàn)在時(shí)鐘的有效沿附近 ，也就是說第二級(jí)的D觸發(fā)器的撤離時(shí)間不滿足復(fù)位恢復(fù)時(shí)間或者去除時(shí)間，這時(shí)候的時(shí)序圖如下所示:

我們可以看到無論是觸發(fā)器判斷此刻是復(fù)位還是不復(fù)位，輸出都是一樣的，也就是說，輸出rst_n不是亞穩(wěn)態(tài)，而是確定的值。

第一級(jí)的撤離出現(xiàn)問題，第二級(jí)的撤離沒有問題 ，這時(shí)候的時(shí)序圖如下所示：

我們可以看到，第一級(jí)觸發(fā)器雖然產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)，但是由于第二級(jí)觸發(fā)器的存在，亞穩(wěn)態(tài)并沒有傳播下去， 得到的復(fù)位信號(hào)依然是干凈的 ，只不過這個(gè)復(fù)位信號(hào)可能延長(zhǎng)多一個(gè)周期而已（這是因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的可能態(tài)引起的）。

最極端的一種情況是， 兩級(jí)的撤離都不滿足復(fù)位恢復(fù)時(shí)間或者去除時(shí)間 ，這時(shí)候的時(shí)序圖如下所示：

我們可以看到第一級(jí)觸發(fā)器產(chǎn)生了亞穩(wěn)態(tài)，但是由于第二級(jí)觸發(fā)器的存在，亞穩(wěn)態(tài)沒有傳播下去；雖然第二級(jí)觸發(fā)器的復(fù)位信號(hào)撤離也在時(shí)鐘有效沿附近，但是跟第一種情況一樣，第二級(jí)觸發(fā)器是不會(huì)產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的。因此即使是極端狀態(tài)，輸出的復(fù)位信號(hào)也是干凈的。

由此我們可以看到，異步復(fù)位的同步撤離能夠有效地解決撤離導(dǎo)致的復(fù)位恢復(fù)時(shí)間或者去除時(shí)間不足的問題，同時(shí)把復(fù)位信號(hào)同步化，解決了復(fù)位撤離偏移的問題。

②異步復(fù)位的抖動(dòng)問題

當(dāng)外部輸入的異步復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生毛刺時(shí)，任何滿足觸發(fā)器最小復(fù)位脈沖寬度的輸入都有可能引起觸發(fā)器復(fù)位，這問題是源頭上的問題，即使是使用上面的同步器，也還是有同樣的敏感問題，時(shí)序圖如下所示：

解決方法 ：一個(gè)是 使用同步復(fù)位 ，另一個(gè)就是過濾毛刺了，過濾毛刺和消抖的思路有點(diǎn)像，主要就是經(jīng)過一段延時(shí)之后，在經(jīng)過邏輯門判斷產(chǎn)生外部來的是不是真正復(fù)位信號(hào)，加上過濾毛刺信號(hào)部分的同步撤離電路和時(shí)序如下所示：

在上圖中，我們可以看到，抖動(dòng)問題得到了解決。然而這種方法還是有缺點(diǎn)的，主要就是這個(gè)延時(shí)電路的延時(shí)控制可能隨著環(huán)境而變化，而且延時(shí)的時(shí)間要合適長(zhǎng)才行，絕對(duì)不能太短。

③DFT的問題

在DFT的時(shí)候，如果異步復(fù)位信號(hào)不能直接被I/O引腳驅(qū)動(dòng)，就必須將異步復(fù)位線和后面的的被驅(qū)動(dòng)電路斷開，用來保證DFT掃描和測(cè)試能夠正確進(jìn)行?？傊惒綇?fù)位增加了DFT的復(fù)雜性。

4.復(fù)位策略——復(fù)位網(wǎng)絡(luò)

在數(shù)字電路里面，復(fù)位信號(hào)驅(qū)動(dòng)了很多觸發(fā)器，僅次于時(shí)鐘，因此復(fù)位也往往形成或者使用復(fù)位網(wǎng)絡(luò)。復(fù)位網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)也是有值得斟酌的地方，例如，由于復(fù)位的扇出太大，全部的復(fù)位不能僅僅由一個(gè)端口驅(qū)動(dòng)，也就是不能像下面一樣：

既然上面的不行，那就改成下面的唄，也就是使用多各“并聯(lián)”的同步釋放，分擔(dān)一下負(fù)載壓力：

然而這種方案還是有問題的，這是第一級(jí)的撤離出現(xiàn)問題，第二級(jí)的撤離沒有問題的時(shí)候，亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定后的狀態(tài)可能不一樣，導(dǎo)致rst_n的復(fù)位不一致，有的復(fù)位可能會(huì)快/慢一個(gè)周期。

最后的方案是，先進(jìn)行同步釋放之后，同步后的復(fù)位信號(hào)又當(dāng)做各個(gè)部分的異步信號(hào)，然后進(jìn)行同步釋放，如下所示：

這樣先經(jīng)過前級(jí)的同步釋放之后，就不存在亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定好導(dǎo)致的輸出rst_n不一致的問題了。