復(fù)位電路也是數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)中常用的電路，不管是 FPGA 還是 ASIC 設(shè)計(jì)，都會(huì)涉及到復(fù)位，一般 FPGA或者 ASIC 的復(fù)位需要我們自己設(shè)計(jì)復(fù)位方案。復(fù)位指的是將寄存器恢復(fù)到默認(rèn)值。一般復(fù)位功能包括同步復(fù)位和異步復(fù)位。復(fù)位一般由硬件開關(guān)觸發(fā)引起，也可以由復(fù)位邏輯控制引起。

復(fù)位電路的作用

數(shù)字電路中寄存器和 RAM 在上電之后默認(rèn)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是不確定的，如果有復(fù)位，就可以把寄存器復(fù)位到初始狀態(tài) 0，RAM 的數(shù)據(jù)可以通過復(fù)位來觸發(fā) RAM 初始化到全 0，因?yàn)橐话氵壿嬈鹗级际菑?0 開始變化的，這個(gè)是根據(jù)設(shè)計(jì)的需要設(shè)定的一個(gè)值，如果設(shè)計(jì)需要寄存器上電復(fù)位為 1，也是可以的。

還有就是如果邏輯進(jìn)入了錯(cuò)誤的狀態(tài)，通過復(fù)位可以把所有的邏輯狀態(tài)恢復(fù)到初始值。

復(fù)位電路的控制方式

1 按鍵復(fù)位

在硬件電路設(shè)計(jì)中，一般會(huì)留下一個(gè)復(fù)位按鍵，按下開關(guān)復(fù)位，就可以簡(jiǎn)單快捷地進(jìn)行復(fù)位。

但按鍵復(fù)位存在一個(gè)問題，就是一般按鍵在按下時(shí)會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，釋放時(shí)也會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)按鍵所使用的開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)我們按下或松開按鍵時(shí)，由于彈片的物理特性，不能立即閉合或斷開，往往會(huì)在斷開或閉合的短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械抖動(dòng)。

按鍵消抖可分為硬件消抖和軟件消抖。硬件消抖主要使用RS觸發(fā)器或電容等方法實(shí)現(xiàn)消抖， 一般在按鍵較少時(shí)使用。軟件消抖的原理主要為按鍵按下或松開后延時(shí)5ms—20ms采樣，這種方法經(jīng)常使用。

按鍵去抖的思路是檢測(cè)到按下時(shí)延時(shí) 20ms，再檢測(cè)，如果狀態(tài)仍為按下，則確認(rèn)是按下的;如果狀態(tài)為彈起的，則確認(rèn)是干擾，無(wú)按鍵按下。

假如rst_in 為一個(gè) 普通 按鍵，直接連接至 FPGA里面的復(fù)位引腳作為全局復(fù)位，所以按鍵消抖的原理為：當(dāng) rst_in按鍵按下時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，需要 等 20ms之后再去檢測(cè)這個(gè)按鍵是否按下 FPGA里面的這個(gè)引腳的電平是否改變 ))，這樣就達(dá)到了按鍵消抖的目的 。

如下圖所示：

檢測(cè)到第一次按下(檢測(cè)到低電平)，此時(shí)延遲20ms，然后 20ms之后，再次檢測(cè)是否有穩(wěn)定的低電平 。

由于按鍵 彈片的物理特性，按鍵按下時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，也就是說我們其實(shí)只按一次，但是實(shí)際產(chǎn)生的“按下”卻是許多次的，這些許多次集中在這 20ms里。通過延時(shí) 20ms，把其他的“按下(也就是抖動(dòng))給濾除了。然后再次判斷是否有按下，因?yàn)橛械臅r(shí)候干擾很大。

2 RC復(fù)位電路

這種是一種簡(jiǎn)單的 RC 復(fù)位電路，電源接通時(shí)候，通過 R1 對(duì) C2 進(jìn)行充電，經(jīng)過一段延遲后加到電路當(dāng)中產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，這個(gè)復(fù)位信號(hào)的上升速度低于電源的上電速度，當(dāng)復(fù)位引腳檢測(cè)到高電平時(shí)候，系統(tǒng)復(fù)位結(jié)束，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3 FPGA上電復(fù)位

如果在硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)沒有留下復(fù)位按鍵，對(duì)FPGA來說也沒有太大問題，因?yàn)?FPGA 內(nèi)部也會(huì)有上電復(fù)位的功能，就是 POR(Power On Reset)電路。FPGA 芯片內(nèi)部有一個(gè)上電檢測(cè)模塊，一旦檢測(cè)到電源電壓超過檢測(cè)門限后，就產(chǎn)生一個(gè)上電復(fù)位脈沖(Power On Reset)并將其送給所有的寄存器，這個(gè)脈沖會(huì)自動(dòng)作用在各個(gè)寄存器的復(fù)位端，和功能復(fù)位管腳共同控制寄存器的復(fù)位。

另外，就是 FPGA 重新配置之后，也會(huì)觸發(fā)上電復(fù)位。

復(fù)位電路的類型

同步復(fù)位

同步復(fù)位指的是當(dāng)時(shí)鐘上升沿檢測(cè)到復(fù)位信號(hào)，執(zhí)行復(fù)位操作，有效的時(shí)鐘沿是前提。實(shí)現(xiàn)同步復(fù)位通常意味著將復(fù)位信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)同步。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，展示了如何使用同步復(fù)位來重置一個(gè)計(jì)數(shù)器：

module sync_reset_counter(  
    input wire clk,          // 時(shí)鐘信號(hào)  
    input wire rst,          // 同步復(fù)位信號(hào)（高電平有效）  
    input wire enable,       // 使能信號(hào)  
    input wire inc_dec,      // 增減控制信號(hào)（例如，1為增，0為減）  
    output reg [7:0] count   // 計(jì)數(shù)器輸出  
);  
  
always @(posedge clk) begin  
    if (rst) begin  
        // 當(dāng)rst為高電平時(shí)，進(jìn)行同步復(fù)位  
        count <= 8'h00; // 計(jì)數(shù)器被重置為0  
    end else if (enable) begin  
        // 如果復(fù)位信號(hào)無(wú)效且使能信號(hào)有效，則更新計(jì)數(shù)器  
        if (inc_dec) begin  
            // 如果inc_dec為高，則增加計(jì)數(shù)器  
            if (count < 8'hFF) // 防止計(jì)數(shù)器溢出  
                count <= count + 1'b1;  
        end else begin  
            // 如果inc_dec為低，則減少計(jì)數(shù)器  
            if (count > 8'h00) // 防止計(jì)數(shù)器下溢  
                count <= count - 1'b1;  
        end  
    end  
end  
  
endmodule

在這個(gè)例子中，rst是同步復(fù)位信號(hào)，它是一個(gè)高電平有效的信號(hào)。當(dāng)rst為高時(shí)，在下一個(gè)clk的上升邊沿到來時(shí)，計(jì)數(shù)器count會(huì)被重置為0。與異步復(fù)位不同，同步復(fù)位不會(huì)立即發(fā)生，而是會(huì)在下一個(gè)時(shí)鐘邊沿發(fā)生時(shí)生效。

同步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)如下：

能確保復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的相位一致，從而避免由于信號(hào)傳輸延遲而導(dǎo)致的問題;

以同步的方式與其他信號(hào)進(jìn)行控制，減少信號(hào)沖突的可能性；

避免由于時(shí)序問題（如時(shí)鐘閃爍、時(shí)鐘脈沖不穩(wěn)定等）而導(dǎo)致的系統(tǒng)復(fù)位不準(zhǔn)確或延遲；

便于仿真；

可以使所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成為 100%的同步時(shí)序電路，有利于時(shí)序分析，而且可綜合出較高的 Fmax；

由于只在時(shí)鐘有效電平到來時(shí)才有效，所以可以濾除高于時(shí)鐘頻率的復(fù)位毛刺，可有效避免因毛刺造成的亞穩(wěn)態(tài)和錯(cuò)誤。

同步復(fù)位也有一些缺點(diǎn)，缺點(diǎn)如下：

復(fù)位信號(hào)的有效時(shí)長(zhǎng)必須大于時(shí)鐘周期，才能真正被系統(tǒng)識(shí)別并完成復(fù)位任務(wù)。由于線路上的延遲，可能需要多個(gè)時(shí)鐘周期的復(fù)位脈沖寬度。此外，很難保證復(fù)位信號(hào)到達(dá)各個(gè)寄存器的時(shí)序，這增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

同步復(fù)位是依賴于時(shí)鐘信號(hào)的。如果電路中的時(shí)鐘信號(hào)出現(xiàn)問題，例如時(shí)鐘停振或者時(shí)鐘周期不穩(wěn)定，那么同步復(fù)位可能無(wú)法完成，導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。

由于大多數(shù)的邏輯器件的目標(biāo)庫(kù)內(nèi)的 DFF 都只有異步復(fù)位端口，所以，倘若采用同步復(fù)位的話，綜合器就會(huì)在寄存器的數(shù)據(jù)輸入端口插入組合邏輯，這樣就會(huì)一方面額外增加 FPGA 內(nèi)部的邏輯資源，另一方面也增加了相應(yīng)的組合邏輯門時(shí)延。

異步復(fù)位

異步復(fù)位指的是無(wú)論時(shí)鐘沿是否到來，只要復(fù)位信號(hào)有效，就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。實(shí)現(xiàn)異步復(fù)位電路通常涉及在寄存器或狀態(tài)機(jī)的更新邏輯中包含一個(gè)復(fù)位信號(hào)。

以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，展示了如何在Verilog中使用異步復(fù)位來重置一個(gè)計(jì)數(shù)器：

module async_reset_counter(  
    input wire clk,          // 時(shí)鐘信號(hào)  
    input wire rst_n,        // 異步復(fù)位信號(hào)（低電平有效）  
    input wire enable,       // 使能信號(hào)  
    input wire inc_dec,      // 增減控制信號(hào)（例如，1為增，0為減）  
    output reg [7:0] count   // 計(jì)數(shù)器輸出  
);  
  
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  
    if (!rst_n) begin  
        // 當(dāng)rst_n為低電平時(shí)，進(jìn)行異步復(fù)位  
        count <= 8'h00; // 計(jì)數(shù)器被重置為0  
    end else if (enable) begin  
        // 如果復(fù)位信號(hào)無(wú)效且使能信號(hào)有效，則更新計(jì)數(shù)器  
        if (inc_dec) begin  
            // 如果inc_dec為高，則增加計(jì)數(shù)器  
            if (count < 8'hFF) // 防止計(jì)數(shù)器溢出  
                count <= count + 1'b1;  
        end else begin  
            // 如果inc_dec為低，則減少計(jì)數(shù)器  
            if (count > 8'h00) // 防止計(jì)數(shù)器下溢  
                count <= count - 1'b1;  
        end  
    end  
end  
  
endmodule

在這個(gè)例子中，rst_n是異步復(fù)位信號(hào)，它是一個(gè)低電平有效的信號(hào)。當(dāng)rst_n為低時(shí)，無(wú)論時(shí)鐘信號(hào)clk的狀態(tài)如何，計(jì)數(shù)器count都會(huì)被立即重置為0。當(dāng)rst_n為高且enable信號(hào)也為高時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)根據(jù)inc_dec信號(hào)的值進(jìn)行增加或減少。

優(yōu)點(diǎn)：

大多數(shù)目標(biāo)器件庫(kù)的 DFF 都有異步復(fù)位端口，那么該觸發(fā)器的復(fù)位端口就不需要額外的組合邏輯，這樣就可以節(jié)省資源;

某些情況下，使用異步復(fù)位可以簡(jiǎn)化邏輯設(shè)計(jì)。由于復(fù)位操作不依賴于時(shí)鐘信號(hào)，因此不需要額外的邏輯來同步復(fù)位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào);

可以在任何時(shí)間響應(yīng)復(fù)位信號(hào)，而不需要等待下一個(gè)時(shí)鐘邊沿。這意味著復(fù)位操作能夠立即發(fā)生;

在某些應(yīng)用中，異步復(fù)位可以提高系統(tǒng)的可靠性。例如，在電源上電或復(fù)位按鈕被按下時(shí)，異步復(fù)位能夠確保系統(tǒng)迅速并可靠地進(jìn)入已知狀態(tài)。

異步復(fù)位也有一些缺點(diǎn)，缺點(diǎn)如下：

最大的問題在于它屬于異步邏輯，問題出現(xiàn)在復(fù)位釋放時(shí)，而不是有效時(shí)，如果復(fù)位釋放接近時(shí)鐘有效沿，則觸發(fā)器的輸出可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)(此時(shí) clk 檢測(cè)到的 rst_n 的狀態(tài)就會(huì)是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，即是 0 是 1是不確定的)，從而導(dǎo)致復(fù)位失敗。

可能因?yàn)樵肼暬蛘呙淘斐商摷購(gòu)?fù)位信號(hào)(比如系統(tǒng)正常工作時(shí)突然復(fù)位)(注意：時(shí)鐘端口、清零和置位端口對(duì)毛刺信號(hào)十分敏感，任何一點(diǎn)毛刺都可能會(huì)使系統(tǒng)出錯(cuò)，因此判斷邏輯電路中是否存在冒險(xiǎn)以及如何避免冒險(xiǎn)是設(shè)計(jì)人員必須要考慮的問題);

靜態(tài)定時(shí)分析比較困難，靜態(tài)時(shí)序分析一般是針對(duì)同步設(shè)計(jì)的，都是基于時(shí)鐘周期來分析時(shí)序的;

對(duì)于 DFT(DesignForTest 可測(cè)性設(shè)計(jì))設(shè)計(jì)，如果復(fù)位信號(hào)不是直接來自于 I/O 引腳，在 DFT 掃描和測(cè)試時(shí)，復(fù)位信號(hào)必須被禁止，因此需要額外的同步電路;

在某些情況下，異步復(fù)位信號(hào)可能會(huì)與時(shí)鐘信號(hào)或其他輸入信號(hào)產(chǎn)生沖突，導(dǎo)致冒險(xiǎn)現(xiàn)象(冒險(xiǎn)條件)。這可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不確定的狀態(tài)，需要進(jìn)行額外的邏輯設(shè)計(jì)來避免這種情況。

總結(jié)下來，我們推薦使用異步復(fù)位、同步釋放的方式，并且復(fù)位信號(hào)為低電平有效。即：

1、復(fù)位信號(hào)到來的有效與否與 clk 無(wú)關(guān)，而且復(fù)位信號(hào)的撤除也與 clk 無(wú)關(guān)，但是復(fù)位信號(hào)的撤除是在下一個(gè) clk 來到后才起的作用。

2、異步復(fù)位同步撤離的目的為了防止復(fù)位信號(hào)撤除時(shí)，可能產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)。

這意味著復(fù)位操作是異步的(可以在任何時(shí)刻發(fā)生)，但復(fù)位后的撤離(即恢復(fù)正常的邏輯操作)是同步的(在時(shí)鐘邊沿發(fā)生)。

以下是一個(gè)使用這種策略的計(jì)數(shù)器的Verilog代碼示例：

module async_reset_sync_release_counter(  
    input wire clk,          // 時(shí)鐘信號(hào)  
    input wire rst_n,        // 異步復(fù)位信號(hào)（低電平有效）  
    input wire enable,       // 使能信號(hào)  
    input wire inc,          // 增加控制信號(hào)  
    output reg [7:0] count   // 計(jì)數(shù)器輸出  
);  
  
// 初始化計(jì)數(shù)器為0，但注意這里不會(huì)立即生效，因?yàn)閂erilog沒有真正的初始化語(yǔ)句  
reg [7:0] count_reg = 8'h00; // 使用局部變量進(jìn)行初始化  
  
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin  
    if (!rst_n) begin  
        // 異步復(fù)位，任何時(shí)候rst_n為低時(shí)，計(jì)數(shù)器立即被置0  
        count_reg <= 8'h00;  
    end else begin  
        // 同步撤離，在rst_n為高且時(shí)鐘上升邊沿到來時(shí)，根據(jù)enable和inc更新計(jì)數(shù)器  
        if (enable) begin  
            if (inc) begin  
                if (count_reg < 8'hFF) // 防止計(jì)數(shù)器溢出  
                    count_reg <= count_reg + 1'b1;  
            end  
        end  
    end  
end  
  
// 同步輸出到外部接口  
assign count = count_reg;  
  
endmodule

來源：https://blog.csdn.net/u011565038/article/details/139690846