异步复位，同步释放的理解

文章转自：

https://blog.csdn.net/u011729865/article/details/49281713

什么情况下，复位信号需要做“异步复位，同步释放”处理？

回答：一般来说，同步系统，都使用异步复位。这是因为同步复位的电路实现，比异步复位的电路实现，要浪费更多电路资源。
未在本模块时钟域做过“异步复位，同步释放”处理的复位信号，提供给本模块做异步复位使用时，都需要做“异步复位，同步释放”处理。常见于系统内两部件不在同一时钟域的情况下。

工程实践中，确实见过由于未做异步复位的同步处理，而出现大概率系统死机现象（复位的作用域是很大的）。

异步复位同步释放原理

这里写图片描述

代码实现：

always @ (posedge clk, negedge rst_async_n)  
if (!rst_async_n) begin   
rst_s1 <= 1'b0;  
rst_s2 <= 1'b0;  
end  
else begin  
rst_s1 <= 1'b1;  
rst_s2 <= rst_s1;  
end  

assign rst_sync_n = rst_s2;   
endmodule

利用前面两级触发器实现。特点：

第一级触发器的数据端口是接电源，即高电平1’b1。
第一级触发器的输出，不能使用，因为仍存在亚稳态的危险。两级触发器做同步，是非总线信号的最常见异步处理方法。总线信号的异步处理方法，最常见的是异步fifo实现。

下面讲述理解点。

问题1. 如果没有前面两级触发器的处理。异步信号直接驱动系统的触发器。会出现什么情况？

回答：很多人只知道触发器D端口来源是异步的话，会因为建立保持时间的时序违反而在触发器Q端口产生亚稳态。
但是不清楚，异步复位信号为什么会导致亚稳态的产生。

首先，回顾理论教材里介绍的建立保持时间违反分析，教材一般都是拿没有复位端口的D触发器举例。
然后，画出带有异步复位端口的D触发器，下图带异步复位Rd，并带有异步置位端口Sd。
由此得知，异步复位信号或者异步置位信号，跟数据端口D信号，没有什么区别，都会存在建立保持时间的违反，从而时序冲突，引发输出亚稳态。
这里写图片描述

问题2. 复位信号存在亚稳态，有危险吗？

回答：
亚稳态，出现的问题或者麻烦，是在信号变化的时候，不能保证第一拍采样的值是固定的。
如果信号稳定，不会出现亚稳态的。就是采样后的跳变，时刻不确定，也许早，也许晚。
系统不希望这样的未知状态发生，系统希望知道在某一个时刻，后续逻辑需要的输入信号，是稳定值。

二级触发器同步后，第二季触发器的输出基本上是稳定值。后续逻辑根据稳定值，会有稳定的行为。这就是追求的系统稳定性。

最好是系统一起复位释放，但是时钟域不同，不可能保证系统一起复位释放。一般来说，系统复位释放的顺序，是需要保证的。否则系统就是不安全的。

举个例子，系统启动时，内核读取启动指令，要powerdown某外设；但是powerdown的逻辑要求外设和内核没有通信请求正在发生。此时，外设比内核先释放复位的情况(复位释放的时刻，外设有可能已经开始与内核发生请求)，与内核比外设先释放复位的情况(复位释放的时刻，外设肯定与内核没有发生请求)，是不一样的，powerdown也许不能处理成功。

这也是异步复位信号需要同步释放的原因，目的都是为了避免亚稳态的产生。

问题3. 如果只做一级触发器同步，如何？

回答：不可以。第一级触发器的输出，永远存在亚稳态的可能。亚稳态，导致系统不会复位初始化到已知状态。
当第一级触发器采样异步输入之后，允许输出出现的亚稳态可以长达一个周期，在这个周期内，亚稳态特性减弱。在第二个时钟沿到来时，第二级同步器采样，之后才把该信号传递到内部逻辑中去。第二级输出是稳定且已被同步了的。如果在第二级采样时保持时间不够，第一级的输出仍然处于很强的亚稳态，将会导致第二级同步器也进入亚稳态，但这种故障出现的概率比较小。

一般情况下，两级同步器总体的故障概率是一级同步器故障概率的平方。在大部分的同步化设计中，两级同步器足以消除所有可能的亚稳态了。

问题4. 两级触发器同步，就能消除亚稳态吗？

回答：可以。但需要综合或者静态时序分析的工作配合。第一级触发器，永远存在亚稳态的情况，因为建立保持时间不能保证不发生时序冲突。第二级触发器，可以保证不发生时序冲突。
~~一般来说，第一级触发器，可以在综合的时候，设置伪路径，忽略时序冲突。~~
第二级触发器，在综合的时候，分析时序冲突（一般出现保持时间违反，综合会插入buffer解决吧？！）。

如此，第二级触发器，由于避免了时序冲突的发生，输出不会出现亚稳态。
回答：不能。大大降低概率，如果几十年出现一次，也无所谓了。毕竟芯片不会用几十年，早就老化严重淘汰了。
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问题5. 第一级触发器的数据端口为什么是1’b1？

回答：
1. 如果第一级触发器的数据端口，使用rst_async_n。综合后的第一级触发器电路图如下
(下图为转载图片，来自http://www.cnblogs.com/qiweiwang/archive/2010/11/25/1887888.html)：
这里写图片描述
2. 如果第一级触发器的数据端口，使用1’b1。综合后的第一级触发器电路图如下：

考虑到电路实现的资源，还是第2种方案最节省，为最佳设计。

综上所述，异步复位同步释放的电路结构是稳定可靠最省资源的，是最优的方案。请按套路出牌即可。

存在不同时钟域的系统环境中，请检查并正确处理“异步复位，同步释放”。

也不知道上述说法，有没有误区，请指点。纯属个人理解，仅供参考。