Verilog RTL和触发器中的同步和异步复位功能分析

没有任何寄存器逻辑，RTL设计是不完整的。RTL是寄存器传输级或逻辑，用于描述依赖于当前输入和过去输出的数字逻辑。

同步和异步复位

在ASIC/FPGA设计中，何时使用异步复位或同步复位总是导致设计者头脑混乱。同步复位信号在时钟边缘和数据路径的一部分进行采样，而异步复位信号的采样与时钟信号无关，而与数据路径或数据输入逻辑的一部分无关。本节介绍使用异步和同步复位的Verilog RTL for 触发器。

D触发器异步复位

异步复位不是数据路径的一部分，用于初始化触发器，而不考虑时钟边沿，因此称为异步复位。这种初始化触发器的技术不推荐用于生成内部复位信号，因为它容易出现故障。设计者需要注意在内部同步该复位信号，以避免出现故障。内部同步复位信号应用于存储元件。复位解除（reset deassertion）是异步复位信号的主要问题，采用两级同步器可以克服这一问题。两级同步器（Level synchronizer）避免了复位解除期间的绕线情况。

Verilog RTL如图所示，使用低电平异步复位信号“reset_n”（示例5.3）。

图5.10显示了具有异步复位“reset_n”的D触发器的综合逻辑。

示例5.3 D触发器，带低电平异步复位信号“reset_n”输入

图5.10 带低电平异步复位信号输入的综合D触发器

D触发器同步复位

在同步复位中，复位信号是作为数据路径的数据输入的一部分，取决于活动时钟边沿。同步复位不存在故障或危险（glitches or hazards）问题，因此这种方法最适合设计。该机制不需要额外的同步电路。

例5.4中描述了Verilog RTL，它使用低电平同步复位信号“reset_n”。

示例5.4 D触发器，带有源低同步复位输入

图5.11同步复位D触发器的综合逻辑

带同步复位输入的正边沿触发D触发器的综合逻辑如图5.11所示。

带使能异步复位的触发器

在大多数实际应用中，需要多个异步输入。考虑一个应用程序，当激活输入时，它需要加载输入数据。即使在复位信号激活且有效时，也必须等待初始化寄存器。如果两个异步输入同时到达，则输出应取决于这些信号的优先级分配。

如示例5.5所示，两个异步输入被命名为“reset_n”和“load_en”。“ reset_n”具有最高优先级，“load_en”具有最低优先级。使用“if-else”构造优先级。

综合逻辑如图5.12所示。

示例5.5带异步“reset_n”和“load_en”的D触发器的Verilog RTL

图5.12异步复位D触发器的综合输出

带使能同步复位的触发器

如果多个信号或输入是数据路径的一部分，并且在时钟的活动边沿上采样，则在时钟的活动边缘上分配时序单元的输出。考虑示例5.6中所示的Verilog RTL，输入“reset_n”和“load_en”是同步输入并在时钟的正边上采样。同步输入“reset_n”具有最高优先级，“load_en”具有最低优先级。

综合逻辑如图5.13所示，“reset_n”和“load_en”是数据路径的一部分。

示例5.6带同步“reset_n”和“load_en”的D触发器

图5.13带同步“reset_n”和“load_en”的综合逻辑

审核编辑：郭婷