IC基础：设计中的复位

Posted 2020-12-06 streetlive

一般来说，同步系统，都使用异步复位。这是因为同步复位的电路实现，比异步复位的电路实现，要浪费更多电路资源。

工程实践中，确实见过由于未做异步复位的同步处理，而出现大概率系统死机现象（复位的作用域是很大的）。

 

一、异步复位不安全的原因

　　1.什么是异步复位

　　　　在带有复位端的D触发器中，当reset信号“复位”有效时，它可以直接驱动最后一级的与非门，令Q端“异步”置位为“1”or“0”。这就是异步复位。

　　　　当这个复位信号release时，Q的输出由前一级的内部输出决定（D端口）。

　　2.复位信号的恢复时间T( recovery time )：

　　　　原本有效的复位信号释放（对于低电平有效的复位信号指上升沿），与紧跟其后的第一个时钟上升沿之间的最小时间。 

　　　　这个时间的意义是，如果保证不了这个最小恢复时间，也就是说这个异步控制信号的解除与“下个时钟沿”离得太近（但在这个时钟沿之前），没有给寄存器留有足够时间来恢复至正常状态，那么就不能保证“下个时钟沿”能正常作用，也就是说这个“时钟沿”可能会失效。

 

　　3.复位信号的移除时间T(recovery time):

　　　　时钟信号的上升沿，与紧跟其后异步复位信号从有效到无效的最小时间。

　　　　这个时间的意义是，如果保证不了这个去除时间，也就是说这个异步控制信号的解除与“有效时钟沿”离得太近（但在这个时钟沿之后），那么就不能保证有效地屏蔽这个“时钟沿”，也就是说这个“时钟沿”可能会起作用。

　　4.恢复与移除时间的意义

　　　　如果你想让某个时钟沿起作用，那么你就应该在“恢复时间”之前是异步控制信号变无效，如果你想让某个时钟沿不起作用，那么你就应该在“去除时间”过后使控制信号变无效。如果你的控制信号在这两种情况之间，那么就没法确定时钟沿是否起作用或不起作用了，也就是说可能会造成寄存器处于不确定的状态。而这些情况是应该避免的。所以在复位信号的处理上，要遵守恢复时间和去除时间。

　　　　如下图异步复位时序所示，为复位电路复位时序图。如果异步复位信号的撤销时间在Trecovery（恢复时间）和Tremoval（移除时间）之内，那势必造成亚稳态的产生，输出在时钟边沿的Tco后会产生振荡，振荡时间为Tmet（决断时间），最终稳定到“0”或者“1”，就会可能造成复位失败。

 

 

 

　　5.总结

　　　　异步复位信号亚稳态的原因

　　　　复位结束也就是释放的时刻，恰在时钟上升沿的建立时间和保持时间之间时，无法决定现在的复位状态是1还是0，造成亚稳态。

 

二、推荐异步复位同步释放

　　1.电路结构

 

 　　　　异步复位：显而易见，rst_async_n异步复位后，rst_sync_n将拉低，即实现异步复位。

　　　　同步释放：这个是关键，看如何实现同步释放，即当复位信号rst_async_n撤除时，由于双缓冲电路（双寄存器）的作用，rst_sync_n复位信号不会随着rst_async_n的撤除而撤除。

　　　　假设rst_async_n撤除时发生在clk上升沿，如果不加此电路则可能发生亚稳态事件，但是加上此电路以后，假设第一级D触发器clk上升沿时rst_async_n正好撤除，则D触发器1输出高电平“1”，此时第二级触发器也会更新输出，但是输出值为前一级触发器clk来之前时的Q1输出状态。显然Q1之前为低电平，因此第二级触发器输出保持复位低电平，直到下一个clk来之后，才随着变为高电平。即同步释放。

 

　　2.代码实现

 1 module reset_gen ( output rst_sync_n, input clk, rst_async_n);
 2 reg rst_s1, rst_s2;
 3 wire rst_sync_n ;
 4 
 5 always @ (posedge clk, posedge rst_async_n)
 6     if (rst_async_n)
 7          begin
 8             rst_s1 <= 1‘b0;
 9             rst_s2 <= 1‘b0;
10         end
11     else
12         begin
13             rst_s1 <= 1‘b1;
14             rst_s2 <= rst_s1;
15         end
16 
17 assign rst_sync_n = rst_s2; //注意这里的rst_sync_n才是我们真正对系统输出的复位信号
18 
19 endmodule