什么是復位同步電路reset synchronizer?

下圖是一個最簡單的復位同步電路。這個電路的輸出rstn_sync用作后續電路中D flip flop的復位信號。

這個電路的工作原理是：

-PorZ低電平，復位同步電路里的兩個D flip flop都被復位。電路的輸出rstn_sync為0，后續電路被復位。

-PorZ由低變高。clk上升沿到來時，第一個D flip flop先變1。過一個周期，第二個D flip flop變1，rstn_sync變1，后續電路離開復位狀態，開始正常工作。

-如果PorZ由低變高和clk上升沿離得很近，第一個D flip flop可能進入亞穩態(metastability)。不過沒關系，第二個D flip flop的輸出rstn_sync還是穩定的。復位同步電路的主要功能就是保障rstn_sync是穩定的0或1，在芯片的有生之年不發生亞穩態(或亞穩態的機率小到忽略不計)。同時，保障rstn_sync相對于clk有一個固定的時序關系。下面詳細討論。

為什么需要復位同步電路reset synchronizer?

這和D flip flop一個比較隱蔽的timing指標有關– removal/recovery time。D flip flop對時鐘沿active edge和復位的release edge是有時序要求的。通常，D flip flop復位端的release edge必須要滯后時鐘active edge一段時間（removal time），而且還要超前下一個時鐘active edge一段時間（recovery time）。如果有違例，那這個D flip flop就會進入亞穩態，在后仿中顯示為X。

復位同步電路reset synchronizer的輸出rstn_sync相對于時鐘clk有一個固定的時序關系。在PnR (place & route)中，工具構造buffer tree去buffer rstn_sync，并算出buffer后rstn_sync到后續每個D flip flop復位端的時間，通過插入或調整buffer，保障后續電路中每一個D flip flop的復位端都滿足removal/recovery要求。反之，如果rstn_sync相對于時鐘clk沒有有一個固定的關系，那工具就無從下手了，也就無法保障removal/recovery要求了。

順便說一下，綜合工具是不查removal/recovery time的。如果復位電路上有錯，通常會在設計流程很后面才發現，改起來代價也會高一些。所以一定要在一開始就重視復位電路。

為什么復位同步電路reset synchronizer自己不會進入亞穩態?

前面講了，第一級的D flip flop是有可能進入亞穩態。關鍵在于第二級。第二級的D輸入端在第一個clk到來的時刻仍是穩定的低電平（第一級的輸出此時尚未變成亞穩態X），第二級的的狀態不需要改變，仍舊保持原來復位后的0狀態。等到第二個clk到來的時候，如果第一級已經不在亞穩態了，第二級的D輸入就是一個穩定的1，那第二級的輸出rstn_sync自然就變成穩定的1了。即使第一級在第二個clk到來的時候沒有完全走出亞穩態，只要第一級的輸出不在中間值附近，第二級仍會把第一級的輸出當成0或1，第二級的輸出rstn_sync也就因此為穩定的0或1。這也就是為什么有時候復位同步電路reset synchronizer的latency是在1-3個時鐘之間。

有條件的同學，不妨跑一下Spectre sim,觀察一下D flip flop內部的信號，加深removal/recovery time的理解。眼見為實。

如果兩個D flip flop還不夠MTBF指標（發生亞穩態的概率仍不夠小），可以再加第三級。

有些標準元庫中有專門的同步電路，synchronizer cell。應該盡量使用這種synchronizer cell，比自己用兩個D flip flop搭更可靠。專門的synchronizer第二級是高增益的，大大降低第二級進入亞穩態的可能性。

復位同步電路reset synchronizer能加到掃描鏈里嗎?

這里加了兩個MUX，這樣可以讓工具把同步復位電路的兩個D flip flop連到scan chain里，增加test coverage。

使用復位同步電路reset synchronizer需要注意的地方

一個復位同步電路reset synchronizer只能用到一個時鐘域。如果有幾個不同步的時鐘域，就要考慮使用多個復位同步電路。同步的時鐘域可以考慮復用一個復位同步電路reset synchronizer，但要做得仔細一些。

復位同步電路reset synchronizer有什么弊病嗎

復位同步電路reset synchronizer其實只在復位信號release的時候派上用場。復位結束后，這個電路其實就沒用了。但這個電路的時鐘還在switch，這個電路還在耗電。如果是高速時鐘，這個耗電就可觀了。低功耗設計，就要考慮是否可以關掉時鐘。這個根據不同場景，就非常復雜了，需要非常小心。

復位同步電路reset synchronizer是必須的嗎？

很多人通常不加思索一上來就加上同步復位電路reset synchronizer。這種條件反射本身是好習慣。

如果精益求精，那就要多思考一下了。有些場景是不需要復位同步電路reset synchronizer的。

復位的目的是讓電路有個明確的起始狀態。如果不需要明確的初始狀態，而且電路跑一段時間后能清除所有不確定狀態，進入正常狀態，那就可以考慮不用復位同步電路。例如FIR。如果使用場景中可以容忍初始輸出為垃圾，異步復位是可以的。

還有一個被99%的設計者忽略的場景。如果復位信號release的時候，時鐘還沒有啟動，那就根本不需要復位同步電路reset synchronizer。很多時候，芯片是內部oscillator, PLL提供時鐘的。而oscillator, PLL啟動都需要時間的。如果復位在這段時間內release，那就不需要同步復位電路reset synchronizer了。在低功耗設計中，尤其是多個內部時鐘域的場景，省下的功耗就可觀了。當然，設計要做得非常仔細。

還有一個場景就是內部產生的復位信號。做得精妙的設計，可以保證在內部復位release的時候沒有時鐘，也就不需要什么復位同步電路reset synchronizer了。內部產生復位信號是一個很有效的設計技巧。這個技巧復用現成的reset network同時將很多D flip flop清零，省去了在D flip flop的D輸入邏輯（D input logic cone）加上清零條件，可以節省很多門。

復位同步電路reset synchronizer在RTL里的實現

通常做成一個單獨的module，在主設計中例化這個module。

好了，希望復位同步講全面了。

審核編輯：黃飛