同步复位与异步复位-异步复位和同步复位区别-异步复位同步释放.doc

同步复位与异步复位-异步复位和同步复位区别-异步复位同步释放
学习笔记 2009-01-05 11:23:06 阅读107 评论0 字号：大中小 订阅
　　一、同步复位与异步复位特点：
　　同步复位就是指复位信号只有在时钟上升沿到来时，才能有效。否则，无法完成对系统的复位工作。
　　异步复位是指无论时钟沿是否到来，只要复位信号有效，就对系统进行复位。

　　二、异步复位和同步复位的优缺点：
　　1、同步复位的优点大概有3条：
　　a、有利于仿真器的仿真。
　　b、可以使所设计的系统成为100%的同步时序电路，这便大大有利于时序分析，而且综合出来的fmax一般较高。
　　c、因为他只有在时钟有效电平到来时才有效，所以可以滤除高于时钟频率的毛刺。
同步复位的缺点：
　　a、复位信号的有效时长必须大于时钟周期，才能真正被系统识别并完成复位任务。同时还要考虑，诸如：组合逻辑路径延时,复位延时等因素。
　　b、由于大多数的逻辑器件的目标库内的DFF都只有异步复位端口，所以，倘若采用同步复位的话，综合器就会在寄存器的数据输入端口插入组合逻辑，这样就会耗费较多的逻辑资源。
　　2、异步复位的优点也有三条：
　　a、大多数目标器件库的dff都有异步复位端口，因此采用异步复位可以节省资源。
　　b、设计相对简单。
　　c、异步复位信号识别方便，而且可以很方便的使用FPGA的全局复位端口GSR。
　　异步复位的缺点：
　　a、在复位信号释放(release)的时候容易出现问题。具体就是说：倘若复位释放时恰恰在时钟有效沿附近，就很容易使寄存器输出出现亚稳态，从而导致亚稳态。
解释一下亚稳态产生的原因：在同步系统中，如果触发器的 setup time / hold time 不满足，就可能产生亚稳态，此时触发器输出端 Q 在有效时钟沿之后比较长的一段时间处于不确定的状态，在这段时间里 Q 端会出现毛刺、振荡、或固定在某一电压值，而不一定等于数据输入端 D 的值。这段之间称为决断时间（resolution time）。经过 resolution time 之后 Q端将稳定到 0 或1上，但是究竟是0 还是 1，这是随机的，与输入没有必然的关系。亚稳态实质是介于”0””1”电平之间的一个状态。亚稳态是 FF的一个固有特性。正常采样也会有一个亚稳态时间。当建立保持时间满足时，FF 在经历采样、亚稳态后，进入一个正确的状态。如果建立保持时间不满足，那么FF会有一个相当长的亚稳态时间，最后随机进入一个固定态。
也就是会经历一个很长的resolution time然后，在D输出端上随机出现0或1。
亚稳态的危害：
由于输出在稳定下来之前可能是毛刺、振荡、固定的某一电压值，因此亚稳态除了导致逻辑误判之外，输出 0～1 之间的中间电压值还会使下一级产生亚稳态，即导致 meta stability的传播。逻辑误判（由于组合逻辑的 race，导致总线状态的不稳定）有可能通过电路的特殊设计减轻危害（如异步 FIFO中 Gray码计数器的作用，一次只变化一位），而亚稳态的传播则扩大了故障面，难以处理。

　　b、复位信号容易受到毛刺的影响。
　　所以，一般都推荐使用异步复位同步释放的方式，而且复位信号低电平有效。这样就可以两全其美了。

所谓异步复位同步释放，也就是在Reset信号为低时，马上复位所有信号，而Reset信号由低到高释放时，为了防止出现亚稳态现象，而将Reset信号用D触发器向后延一周期，这样达到两全齐美的结果。
亚稳态的简单解决办法
只要系统中有异步元件，亚稳态就是无法避免的，因此设计的电路首先要减少亚稳态导致错误的发生，其次要使系统对产生的错误不敏感。前者要靠同步来实现，而后者根据不同的设计应用有不同的处理办法。用同步来减少亚稳态发生机会的典型电路如图 1 所示。

图 1 两级同步化电路
在图 1 中，左边为异步输入端，经过两级触发器同步，在右边的输出将是同步的，而且该输出基本不存在亚稳态。其原理是即使第一个触发器的输出端存在亚稳态，经过一个 CLK 周期后，第二个触发器 D 端的电平仍未稳定的概率非常小，因此第二个触发器 Q 端基本不会产生亚稳态。
注意，这里说的是“基本”，也就是无法“根除”，那么如果第二个触发器 Q出现了亚稳态会有什么后果呢？后果的严重程度是由你的设计决定的，如果系统对产生的错误不敏感，那么系统可能正常工作，或者经过短暂的异常之后可以恢复正常工作，例如设计异步 FIFO时使用格雷码计数器当读写地址的指针就是处于这方面的考虑。如果设计上没有考虑如何降低系统对亚稳态的敏感程度，那么一旦出现亚稳态，系统可能就崩溃了。
Cures for metastability（摘自 johnson 所书）
· 用反应更快的 Flip-Flop，减少 metastability window。
· 如图一，引入由同一时钟驱动的串接 DFF。
· 降低采样频率，给 DFF 更多的时间避开 metastability window（亚稳态时间）。
· 使用边沿变化快速的时钟信号。
亚稳态与系统可靠性
使用同步电路以后，亚稳态仍然有发生的可能，与此相连的是平均故障间隔时间MTBF（mean time between failure），亚稳态的发生概率与时钟频率无关，但是 MTBF与时钟有密切关系。 有文章提供了一个例子，某一系统在 20MHz 时钟下工作时，MTBF约为 50年，但是时钟频率提高到 40MHz 时，MTBF 只有 1 分钟！可见降低时钟频率可以大大减小亚稳态导致系统错误的出现，其原因在于，时钟周期如果尽可能的大于 resolution time 可减小亚稳态传递到下一级的机会，提高系统的 MTBF，如图 2 所示。

解释为什么第二个触发器 D端的电平仍未稳定的概率非常小：
如果一个时钟周期>resolution time，即：使上一级寄存器有足够的时间摆脱亚稳态（满足了建立时间要求），但如果上一级 DFF 采样错误，那么下级 DFF 同样继承这个采样错误值，只是不会出现亚稳态，杜绝了亚稳态的传递。如果要稳定的正确采样，必须引入高速时钟，

相应Reset信号同步器的VHDL代码如下：
Library ieee;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Entity Rst_Synth is
Port(
Clk : in std_logic;
Arst : in std_logic;
Rst_n : out std_logic);
End Rst_Synth;

Architecture RTL of Rst_Synth is
Signal dff : std_logic;
Begin
Process(Arst, Clk)
Begin
If Arst = '0' then
Dff <= '0';
Rst_n <= '0';
Elsif(Clk'event and Clk = '1') then
Dff <= '1';
Rst_n <= Dff;
End if;
End process;
End RTL;
Veirlog代码如下：
//*****************************************************
module reset(
input wire sclk,
input wire rst_in, //未处理的复位信号
output reg rst_n //处理后的复位信号
);
//******************************************************
//内部寄存器定义
reg rst_Buffer; //处理后的复位信号暂存寄存器
//******************************************************
//对复位信号的处理------异步复位,同步释放
//******************************************************
always@(posedge sclk or negedge rst_in)//接收数据
if(!rst_in)
begin
rst_Buffer <= 1'b0;
rst_n <= 1'b0;
end
else
begin
rst_Buffer <= 1'b1;
rst_n <= rst_Buffer;
end
//******************************************************
endmodule
//////////////////////////////////////////////////