關(guān)于同步復(fù)位與異步復(fù)位的仿真詳解

在FPGA設(shè)計(jì)中，我們遵循的原則之一是同步電路，即所有電路是在同一時(shí)鐘下同步地處理數(shù)據(jù)。這個(gè)概念可進(jìn)一步展開，即不局限于同一時(shí)鐘，只要時(shí)鐘之間是同步關(guān)系（兩者之間有明確的相位延遲，例如同一個(gè)MMCM生成的時(shí)鐘），這是因?yàn)槟壳暗?a target="_blank">芯片規(guī)模越來越大，設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，往往需要多個(gè)時(shí)鐘同時(shí)運(yùn)算。

通常，我們說某個(gè)信號(hào)與指定時(shí)鐘同步，意味著這個(gè)信號(hào)是由該時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的邏輯生成的，或者這個(gè)信號(hào)只有在時(shí)鐘有效沿（一般是上升沿有效）下才會(huì)被觸發(fā)。以復(fù)位信號(hào)為例，就有同步復(fù)位和異步復(fù)位之分。我們從HDL代碼角度看一下二者的區(qū)別。如下圖所示代碼，描述的是同步復(fù)位觸發(fā)器，左側(cè)為VHDL-2008版本的描述方式，右側(cè)為System Verilog版本的描述方式?？梢钥吹矫舾凶兞苛斜恚ㄗ髠?cè)第15行，右側(cè)第8行）中只有時(shí)鐘clk，因此，進(jìn)程中的狀態(tài)變化就依賴于時(shí)鐘的變化即時(shí)鐘有效沿。

我們?cè)倏纯串惒綇?fù)位是如何描述的，如下圖所示。左側(cè)是VHDL-2008版本，右側(cè)是System Verilog版本?？梢钥吹剑藭r(shí)敏感變量列表中除了時(shí)鐘clk之外還有復(fù)位信號(hào)rst。在VHDL版本中，可以明確地看到復(fù)位信號(hào)位于if條件分支，而時(shí)鐘有效沿位于elsif分支，優(yōu)先級(jí)低于復(fù)位信號(hào)。因此，這里只要復(fù)位有效，無論時(shí)鐘沿是否有效都會(huì)觸發(fā)操作。

進(jìn)一步，我們從仿真角度看看這兩者的區(qū)別。同步復(fù)位觸發(fā)器的仿真結(jié)果如下圖所示?？梢钥吹綇?fù)位信號(hào)只有在時(shí)鐘有效沿下才起作用。圖中第二個(gè)復(fù)位脈沖并沒有被時(shí)鐘有效沿采到，故不會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)器復(fù)位。

異步復(fù)位觸發(fā)器仿真結(jié)果如下圖所示。可以看到第二個(gè)復(fù)位脈沖盡管沒有在時(shí)鐘有效沿下，但仍促使觸發(fā)器復(fù)位。這正是異步的原理。

對(duì)比兩個(gè)仿真結(jié)果，我們可以看到同步復(fù)位的一個(gè)明顯的好處就是利用了時(shí)鐘的過濾功能，去除了復(fù)位信號(hào)上的毛刺，而異步復(fù)位下，如果復(fù)位信號(hào)有毛刺就會(huì)導(dǎo)致觸發(fā)器誤操作，這在狀態(tài)機(jī)電路中尤為嚴(yán)重，很有可能導(dǎo)致狀態(tài)機(jī)進(jìn)入無效狀態(tài)。
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