在數(shù)字邏輯電路中，復(fù)位信號的設(shè)計(jì)是首要解決的基本問題。在進(jìn)行復(fù)位信號設(shè)計(jì)之前，需要明確的是，復(fù)位信號只對時(shí)序電路有效，因?yàn)闀r(shí)序電路屬于雙穩(wěn)態(tài)電路，在上電后需要保證電路處于已知的初始態(tài)，才能保證正常運(yùn)行。而對于組合邏輯電路來說，組合邏輯本身不具有存儲(chǔ)的功能，因此不需要復(fù)位信號。
復(fù)位信號可以分為同步復(fù)位和異步復(fù)位兩大類。
同步復(fù)位指的是當(dāng)復(fù)位信號發(fā)生變化時(shí)，并不立即生效，而是等到有效時(shí)鐘沿采集到復(fù)位信號的變化后，才會(huì)對寄存器進(jìn)行復(fù)位操作。從同步復(fù)位的描述中，就可發(fā)現(xiàn)同步復(fù)位的過程是依賴于時(shí)鐘信號的，所以稱之為同步。而異步復(fù)位則不依賴于系統(tǒng)時(shí)鐘，一旦信號發(fā)生變化，就會(huì)立即對寄存器進(jìn)行復(fù)位操作。
由于在現(xiàn)有的大多數(shù)邏輯器件庫中，觸發(fā)器DFF都是只包含有異步復(fù)位端口，所以同步復(fù)位的使用會(huì)造成冗余組合邏輯的使用，浪費(fèi)資源。因此，大多數(shù)數(shù)字設(shè)計(jì)中都采用的是異步復(fù)位信號。
雖然異步復(fù)位信號更加方便使用，但是因?yàn)閺?fù)位信號與系統(tǒng)時(shí)鐘異步的關(guān)系，很容易出現(xiàn)復(fù)位信號釋放位置恰恰出現(xiàn)在時(shí)鐘有效沿附近，導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)的出現(xiàn)。對于異步復(fù)位，有類似于寄存器建立時(shí)間和保持時(shí)間的說法，分別是recovery time 和temoval time。如下面兩張圖所示：

T_recovery.png

recovery time是異步復(fù)位的恢復(fù)時(shí)間，指的是復(fù)位釋放與下一個(gè)時(shí)鐘有效邊沿之間需要間隔的最小時(shí)間。

t_removal.png

電路.png

timing.png

module rst_n_sync(
    input   clk        , // 輸入時(shí)鐘
    input   rst_n      , // 輸入異步復(fù)位信號
    output  rst_n_sync   // 輸出同步釋放后的復(fù)位信號
    );

reg          rst_n_r1 ; // 第1級寄存器
reg          rst_n_r2 ; // 第2級寄存器

assign rst_n_sync = rst_n_r2 ;

always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (~rst_n) begin
        rst_n_r1 <= 1'b0 ; 
        rst_n_r2 <= 1'b0 ; // 復(fù)位信號有效時(shí)拉低
    end // 
    else begin
        rst_n_r1 <= 1'b1    ; 
        rst_n_r2 <= rst_n_r1; // 復(fù)位信號無效后，通過兩級打拍，實(shí)現(xiàn)釋放同步
    end // 
end // 
endmodule

上述代碼在vivado軟件中生成的RTL電路如下：

rtl_sync.png

可以看到，代碼生成的電路與之前的電路原理圖完全一致。
異步復(fù)位同步釋放的復(fù)位信號設(shè)計(jì)方法能夠有效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位，且因?yàn)檫M(jìn)行了信號的同步釋放處理，使得復(fù)位信號在撤離時(shí)能夠滿足恢復(fù)和去除時(shí)間的要求，從而避免了亞穩(wěn)態(tài)的產(chǎn)生。