復(fù)位電路概述

復(fù)位信號在數(shù)字電路里面的重要性僅次于時(shí)鐘信號。對電路的復(fù)位往往是指對觸發(fā)器的復(fù)位，也就是說電路的復(fù)位中的這個(gè)“電路”，往往是指觸發(fā)器，這是需要注意的。

有的電路需要復(fù)位信號，就像是有的電路需要時(shí)鐘信號那樣，而有的電路是不需要復(fù)位信號的。

復(fù)位又分為同步復(fù)位和異步復(fù)位，這兩種各有優(yōu)缺點(diǎn)。

下面我們主要來說說復(fù)位信號的用途和不需要復(fù)位信號的情況。

(1)復(fù)位的目的

復(fù)位最基本的目的就是使電路(主要是觸發(fā)器)進(jìn)入一個(gè)能穩(wěn)定操作的確定狀態(tài)(主要是觸發(fā)器在在某個(gè)確定的狀態(tài))，主要表現(xiàn)為下面兩點(diǎn):

①使電路在復(fù)位后從確定的初始狀態(tài)運(yùn)行:

● 上電的時(shí)候，為了避免上電后進(jìn)入隨機(jī)狀態(tài)而使電路紊亂，這個(gè)時(shí)候你就需要上電復(fù)位了。

● 有時(shí)候，電路在某個(gè)狀態(tài)下，你想或者別人要求你從電路的初始狀態(tài)開始進(jìn)行延時(shí)你的電路功能，這個(gè)時(shí)候你就要對你的電路進(jìn)行復(fù)位，讓它從最初的狀態(tài)開始運(yùn)行。

②使電路從錯(cuò)誤狀態(tài)回到可以控制的確定狀態(tài)：

有的時(shí)候，你的電路發(fā)生了異常，比如說狀態(tài)機(jī)跑飛了、系統(tǒng)供電炸了之類的，總之就是電路運(yùn)行得不正常了，這個(gè)時(shí)候你就要對電路進(jìn)行復(fù)位，讓它從錯(cuò)誤的狀態(tài)回到一個(gè)正常的狀態(tài)。

上面說的都是和實(shí)際電路有關(guān)的，下面我們就從電路仿真的角度看一下復(fù)位信號的重要性。

● 仿真的要求

復(fù)位信號在仿真里面主要是使電路仿真時(shí)具有可知的初始值:

在仿真的時(shí)候，信號在初始狀態(tài)是未知狀態(tài)(也就是所謂的x，不過對信號初始化之后的這種情況除外，因?yàn)榉抡娴臅r(shí)候?qū)π盘柍跏蓟褪剐盘栍辛顺跏贾担@就不是x了)。

對于數(shù)據(jù)通路 (數(shù)字系統(tǒng)一般分為數(shù)據(jù)通路和控制通路，數(shù)據(jù)通路一般是對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，控制通路則是對運(yùn)行的情況進(jìn)行操作)，在實(shí)際電路中，只要輸入是有效數(shù)據(jù)(開始的時(shí)候可能不是有效的)，輸出后的狀態(tài)也是確定的；在仿真的時(shí)候，也是輸入數(shù)據(jù)有效了，輸出也就確定了。也就是說，初始不定態(tài)對數(shù)據(jù)通路的影響不明顯。

對于控制通路 ，在實(shí)際電路中，只要控制通路完備(比如說控制通路的狀態(tài)機(jī)是完備的)，即使初始狀態(tài)即使是不定態(tài)，在經(jīng)過一定的循環(huán)后，還是能回到正確的狀態(tài)上；然而在仿真的時(shí)候就不行了，仿真的時(shí)候由于初始狀態(tài)為未知態(tài)，控制電路一開始就陷入了未知態(tài);仿真跟實(shí)際電路不同，仿真是“串行”的，仿真時(shí)控制信號的初始不定態(tài)會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的控制信號結(jié)果都是不定態(tài)，也就是說，初始的不定態(tài)對控制通道是致命的。

(2)不需要復(fù)位信號的一些情況

復(fù)位信號很重要，但是并不是每一部分的電路都需要復(fù)位電路，一方面是復(fù)位電路也消耗邏輯資源、占用芯片面積，另一方面是復(fù)位信號會(huì)增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性(比如要考慮復(fù)位的策略、復(fù)位的布局布線等等)。

當(dāng)某個(gè)電路的輸出在任何時(shí)刻都可以不受到復(fù)位信號的控制就有正確的值時(shí)，比如說數(shù)據(jù)通路中的對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的部分。

在某些情況下，當(dāng)流水線的寄存器(移位寄存觸發(fā)器)在高速應(yīng)用中時(shí)，應(yīng)該去掉某些寄存器的復(fù)位信號以使設(shè)計(jì)達(dá)到更高的性能，因?yàn)閹?fù)位的觸發(fā)器比不帶復(fù)位的觸發(fā)器更復(fù)雜，反應(yīng)也更慢。

對復(fù)位信號/電路有一定的概念后， 下面我們就來說說復(fù)位的方式，也就是同步電路和異步電路以及它們的優(yōu)缺點(diǎn) 。

同步復(fù)位

(1)同步復(fù)位電路

同步復(fù)位是指復(fù)位信號在時(shí)鐘有效沿到來時(shí)才復(fù)位電路(主要是復(fù)位觸發(fā)器)。

因此同步復(fù)位的復(fù)位信號受到時(shí)鐘信號的控制。同步復(fù)位的觸發(fā)器RTL代碼和電路如下所示:

上面的電路在FPGA中容易綜合得到；也有可能綜合得到下面這樣的電路：

(2)同步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)

①首先同步復(fù)位一般能確保電路是100%同步的，因?yàn)殡娐范际怯赏綍r(shí)鐘觸發(fā)。

②同步復(fù)位會(huì)綜合為更小的觸發(fā)器（更小？？感覺有點(diǎn)不太對，可能FPGA跟ASIC不一樣吧？）。從前面電路中我們也可以看到，復(fù)位電路僅僅是由一個(gè)普通的觸發(fā)器和一個(gè)與門構(gòu)成。

③由于同步復(fù)位僅僅發(fā)生在時(shí)鐘的有效沿，當(dāng)外部的復(fù)位信號有毛刺時(shí)，時(shí)鐘可以當(dāng)做過濾毛刺的手段，也就是說同步復(fù)位受到復(fù)位信號的毛刺影響小。

④當(dāng)復(fù)位信號是由內(nèi)部電路產(chǎn)生時(shí)，此時(shí)復(fù)位信號就有可能有毛刺，時(shí)鐘就可以過濾毛刺。也就是說，可以在那些使用內(nèi)部信號當(dāng)做復(fù)位信號的設(shè)計(jì)中，使用同步復(fù)位。

(3)同步復(fù)位的缺點(diǎn)

①使用同步復(fù)位可能使綜合工具無法分辨分辨復(fù)位信號和其他控制信號，導(dǎo)致進(jìn)行復(fù)位的控制邏輯遠(yuǎn)離觸發(fā)器(也就是說，并不是所以的ASIC庫都有內(nèi)置的同步復(fù)位邏輯，綜合工具可能把符合邏輯綜合到觸發(fā)器自身之外)。

例如對于帶同步復(fù)位和加載使能的觸發(fā)器，代碼如下所示：

綜合得到的電路圖如下所示，左邊是理想的電路，右邊是可能綜合出的電路:

這兩個(gè)電路的功能完全一樣，只不過右邊電路的復(fù)位控制邏輯(即復(fù)位與門)在多路復(fù)用器之外，也就是遠(yuǎn)離了觸發(fā)器。

解決方法就是：一方面這個(gè)只是綜合工具的問題，一般綜合工具會(huì)自動(dòng)識(shí)別在敏感列表里面又在條件表達(dá)式信號中的第一個(gè)信號為復(fù)位信號；另一方面，可以在RTL代碼編寫的時(shí)候，加入相關(guān)的綜合指令，讓綜合的時(shí)候把復(fù)位邏輯靠近觸發(fā)器。

②由于同步復(fù)位需要在時(shí)鐘沿的觸發(fā)下才能起作用，復(fù)位信號是以短脈沖的方式出現(xiàn)時(shí)，時(shí)鐘沿就有可能錯(cuò)失這個(gè)復(fù)位信號，導(dǎo)致復(fù)位脈沖丟失，同步復(fù)位電路沒有起到作用，時(shí)序圖如下所示：

解決辦法 ：一方面，可以采用脈沖捕捉電路，這個(gè)電路在我的跨時(shí)鐘域控制信號傳輸中有講到。

另一方面，可以將復(fù)位信號進(jìn)行脈沖擴(kuò)展，維持足夠長的時(shí)間，這個(gè)可以通過一個(gè)小的計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)，如下圖所示:

③同步復(fù)位可能有組合邏輯延時(shí)，當(dāng)復(fù)位邏輯距離觸發(fā)器比較遠(yuǎn)時(shí)，這個(gè)時(shí)候就不能把觸發(fā)器當(dāng)做即時(shí)響應(yīng)復(fù)位信號的觸發(fā)器，而是有一定延時(shí)的觸發(fā)器，這個(gè)時(shí)候就有了復(fù)位信號偏移的問題，關(guān)于復(fù)位信號偏移的描述，我們將在異步復(fù)位中進(jìn)行描述。

解決方法 ：使用內(nèi)置的同步復(fù)位觸發(fā)器；綜合的時(shí)候加入相關(guān)的綜合指令，這個(gè)和①類似。

④我們前面說過，在由內(nèi)部組合邏輯的產(chǎn)生復(fù)位信號的設(shè)計(jì)中，推薦使用同步復(fù)位。其實(shí)這也是有缺點(diǎn)的，這是因?yàn)檫@樣產(chǎn)生復(fù)位信號的組合邏輯一方面在仿真的時(shí)候容易出現(xiàn)x態(tài)，另一方面在實(shí)際電路中，這樣的復(fù)位信號容易被外部(多個(gè))信號影響。

解決方法 ：不建議使用內(nèi)部產(chǎn)生的復(fù)位信號；使用異步復(fù)位。

⑤門控時(shí)鐘的同步復(fù)位可能無效：使用門控時(shí)鐘的時(shí)候，由于復(fù)位信號依賴于時(shí)鐘，在復(fù)位信號發(fā)出的時(shí)候，時(shí)鐘可能關(guān)閉了。

這個(gè)時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的電路沒有被復(fù)位，如下圖所示：

解決方法 ：只能使用異步復(fù)位，并在時(shí)鐘恢復(fù)前移除異步復(fù)位。

⑥總線設(shè)計(jì)中的同步復(fù)位問題:

在總線控制中，系統(tǒng)上電復(fù)位的時(shí)候，我們要求不同芯片之間的總線工作在合理的狀態(tài)上(比如處于高阻態(tài)或者輸出)；然而上電之后，由于系統(tǒng)時(shí)鐘可能仍未正常工作，上電(同步)復(fù)位就可能無效，這個(gè)時(shí)候各個(gè)模塊(芯片)就可能不會(huì)把總線接口設(shè)置為特定的狀態(tài)，(當(dāng)多個(gè)模塊同時(shí)輸出數(shù)據(jù)到總線上時(shí))就可能導(dǎo)致電平?jīng)_突，嚴(yán)重的話會(huì)燒壞接口。

解決辦法 ：為了防止芯片上電時(shí)內(nèi)部總線出現(xiàn)競爭，有兩種解決辦法，一種是采用異步上電復(fù)位，如下圖所示:

這個(gè)時(shí)候使用了異步復(fù)位，使能信號oe輸出0，也就是有了初始的狀態(tài)

另一種方法是使用復(fù)位信號能直接撤銷三態(tài)使能的電路，如下所示:

從電路圖中可以看到復(fù)位信號一方面控制了復(fù)位邏輯，另一方面控制了三態(tài)的使能端;這種技術(shù)簡化了復(fù)位-高阻這個(gè)條路徑的時(shí)序分析。