复位电路的同步复位和异步复位讲解

为确保系统上电后有一个明确、稳定的初始状态，或系统运行状态紊乱时可以恢复到正常的初始状态，数字系统设计中一定要有复位电路的设计。 复位电路异常可能会导致整个系统的功能异常，所以在一定程度上来讲，复位电路的重要性也不亚于时钟电路。

复位电路可分类为同步复位和异步复位。

同步复位

同步复位是指复位信号在时钟有效边沿到来时有效。 如果没有时钟，无论复位信号怎样变化，电路也不执行复位操作。

同步复位的典型代码描述如下：

module sync_reset(
    input       rstn,  //同步复位信号
    input       clk,   //时钟
    input       din,   //输入数据
    output reg  dout   //输出数据
    );

    always @(posedge clk) begin   //复位信号不要加入到敏感列表中
        if(!rstn)  dout <= 1'b0 ; //rstn 信号与时钟 clk 同步
        else       dout <= din ;
    end

endmodule

该代码描述常常会被综合成如下电路：

同步复位的优点：信号间是同步的，能滤除复位信号中的毛刺，有利于时序分析。

同步复位的缺点：大多数触发器单元是没有同步复位端的，采用同步复位会多消耗部分逻辑资源。 且复位信号的宽度必须大于一个时钟周期，否则可能会漏掉复位信号。

异步复位

异步复位是指无论时钟到来与否，只要复位信号有效，电路就会执行复位操作。

异步复位的典型代码描述如下：

module async_reset(
    input       rstn,  //异步复位信号
    input       clk,   //时钟
    input       din,   //输入数据
    output reg  dout   //输出数据
    );

    //复位信号要加到敏感列表中
    always @(posedge clk or negedge rstn) begin
        if(!rstn)  dout <= 1'b0 ; //rstn 信号与时钟 clk 异步
        else       dout <= din ;
    end

endmodule

该代码描述常常会被综合成如下电路：

异步复位的优点：大多数触发器单元有异步复位端，不会占用额外的逻辑资源。 且异步复位信号不经过处理直接引用，设计相对简单，信号识别快速方便。

异步复位的缺点：由于是异步电路，复位信号与时钟信号无确定的时序关系，异步复位很容易引起时序上 removal 和 recovery 的不满足。 且异步复位容易受到毛刺的干扰，产生意外的复位操作。

异步复位同步释放

综合设计与资源等方面的考虑，一般数字系统设计时都会使用异步复位。

为消除异步复位的缺陷，复位电路往往会采用“异步复位、同步释放”的设计方法。 即复位信号到来时不受时钟信号的同步，复位信号释放时需要进行时钟信号的同步。

异步复位、同步释放的典型代码描述如下：

module areset_srelease(
    input       rstn,  //异步复位信号
    input       clk,   //时钟
    input       din,   //输入数据
    output reg  dout   //输出数据
    );

    reg   rstn_r1, rstn_r2;
    always @ (posedge clk or negedge rstn) begin
        if (!rstn) begin
            rstn_r1 <= 1'b0;     //异步复位
            rstn_r2 <= 1'b0;  
        end
        else begin
            rstn_r1 <= 1'b1;     //同步释放
            rstn_r2 <= rstn_r1;  //同步打拍，时序差可以多延迟几拍
        end
    end

    //使用 rstn_r2 做同步复位，复位信号可以加到敏感列表中
    always @ (posedge clk or negedge rstn_r2) begin
        if (!rstn_r2) dout <= 1'b0; //同步复位
        else          dout <= din;
    end


endmodule

该代码描述常常会被综合成如下电路：

需要说明的是，复位电路也会消耗更多的硬件逻辑和面积资源，增加系统设计的复杂性。 不带复位端的触发器也具有相对较高的性能。 所以在一些初始值不影响逻辑正确性的数字设计中，例如数据通路中一些数据处理的部分，高速流水线中的一些寄存器，可以考虑去掉复位以达到最佳性能。

为方便、快速的仿真非复位逻辑的其他功能，教程所有数字设计中的复位都是从 testbench 中引入异步复位，没有考虑复位电路是否能正常工作。 实际设计数字系统时，一定要对复位电路进行单独、仔细、慎重的设计。