同步后的复位该当作同步复位还是异步复位？——Xilinx FPGA异步复位同步释放

Xilinx 复位准则：Xilinx FPGA复位策略

（1）尽量少使用复位，特别是少用全局复位，能不用复位就不用，一定要用复位的使用局部复位；

（2）如果必须要复位，在同步和异步复位上，则尽量使用同步复位，一定要用异步复位的地方，采用“异步复位、同步释放”；

（3）复位电平选择高电平复位；

（这里说明，由于 Altera 和 Xilinx 器件内部结构的不同，Altera 的 FPGA 推荐低电平复位）

一、异步复位同步释放

针对异步复位、同步释放，一直没搞明白在使用同步化以后的复位信号时，到底是使用同步复位还是异步复位？

比如针对输入的异步复位信号rst，使用本地时钟clk将其同步化以后得到一个新的复位信号sys_rst，当使用sys_rst时，是将sys_rst作为同步复位信号还是异步复位信号？

/*****此程序来自公众号：硅农********/
always @(posedge clk or posedge rst)
begin
  if(rst)begin
    rst_r0 <= 1'b1;
    rst_r1 <= 1'b1;
  end
  else begin
    rst_r0 <= 1'b0;
    rst_r1 <= rst_r0;
  end
end
assign sys_rst = rst_r1;

如下图所示，选方式1还是方式2？

针对此问题查找了很多资料，网络上多是将sys_rst继续按照方式1异步复位使用，Xilinx复位白皮书wp272中提到的异步复位同步释放（

转到文章） 如图所示：

对于输入的异步复位Asynchronous Reset，首先使用了4个触发器来做同步（一般用2个即可，4个出现亚稳态的概率更小），触发器类型为FDP（异步置位），同步化以后的复位信号去使用时综合出的触发器类型为FDR（同步复位），即在Xilinx中是将sys_rst按照方式2同步复位使用。

使用FDP异步置位的原因是因为Xilinx推荐高电平复位，当异步复位信号到来时，输出复位电平“1”，即异步置位FDP，当复位消失后，D触发器在每个时钟边沿输出前一级触发器的值，一定周期后，最后一级的FDP稳定输出“0”。

使用Xilinx A7系列FPGA实现异步复位、同步释放代码，确定同步化后的复位使用情况。

二、Xilinx复位程序对比

1. 将同步化后的复位当作异步复位信号

/******FPGA探索者******/   
always @(posedge clk or posedge rst_async)
begin
    if(rst_async == 1'b1) begin
        rst_sync_reg1 <= 1'b1;
        rst_sync_reg2 <= 1'b1;
        rst_sync_reg3 <= 1'b1;
        rst_sync_reg4 <= 1'b1;
    end
    else begin
        rst_sync_reg1 <= 1'b0;
        rst_sync_reg2 <= rst_sync_reg1;
        rst_sync_reg3 <= rst_sync_reg2;
        rst_sync_reg4 <= rst_sync_reg3;
    end
end  

wire sys_rst;
assign sys_rst = rst_sync_reg4;

always @(posedge clk)
begin
    if(sys_rst == 1'b1) begin
        data_out_rst_async <= 1'b0;
    end
    else begin
        data_out_rst_async <= a & b & c & d;
    end
end

综合并布局布线后的原理图如图所示，显然，综合后对sys_rst复位，将其作为异步复位综合出FDCE同步使能异步复位（这里不考虑使能），和白皮书WP272给出的参考电路显然不一致。

2. 将同步化后的复位当作同步复位信号

/******FPGA探索者******/    
always @(posedge clk or posedge rst_async)
begin
    if(rst_async == 1'b1) begin
        rst_sync_reg1 <= 1'b1;
        rst_sync_reg2 <= 1'b1;
        rst_sync_reg3 <= 1'b1;
        rst_sync_reg4 <= 1'b1;
    end
    else begin
        rst_sync_reg1 <= 1'b0;
        rst_sync_reg2 <= rst_sync_reg1;
        rst_sync_reg3 <= rst_sync_reg2;
        rst_sync_reg4 <= rst_sync_reg3;
    end
end  

wire sys_rst;
assign sys_rst = rst_sync_reg4;

always @(posedge clk)
begin
    if(sys_rst == 1'b1) begin
        data_out_rst_async <= 1'b0;
    end
    else begin
        data_out_rst_async <= a & b & c & d;
    end
end

综合并布局布线后的原理图如图所示，显然，综合后对sys_rst复位，将其作为同步复位综合出FDRE同步使能异步复位（这里不考虑使能），和白皮书WP272给出的参考电路一致。

异步复位相比较同步复位，在Xilinx的FPGA中资源是一致的，异步复位的优势在于复位信号一来就能检测到，不需要保持至少一个时钟周期才能在时钟边沿检测到，通过仿真来验证上述电路是否能实现异步复位一来就能检测到。

三、仿真结果

设置时钟50MHz，时钟周期20ns，给一个持续时间3ns的异步复位信号，且持续时间均不出现在时钟上升沿检测期间，可以看到：

（1）rst_async异步复位一旦给出，用于同步的4个寄存器rst_sync_reg1~4立刻输出高电平“1”，在下一个时钟上升沿检测到同步复位并将输出data_out_rst_async复位；

（2）异步复位信号释放后，经过同步的sys_rst经过一定周期后在时钟边沿同步释放；

按照同样的复位，将sys_rst看作异步复位，仿真结果如下，相比于上图，区别在于异步复位信号rst_async一旦产生，输出立刻复位，且同样是同步释放，好像这种处理才更符合异步复位、同步释放。。。。。。

那么为什么Xilinx白皮书还是将sys_rst按照同步复位去做的呢？难道写错了？

综合考虑可能有这样的因素：

（1）当作同步复位的差别只在于复位时间会稍晚一些，要在时钟的下一个边沿检测到，但是还是能够识别到输入的rst_async异步复位信号，所以从复位角度来说，都能够后实现复位效果；

（2）根据Xilinx复位准则，我们知道同步复位相比异步复位有很多好处，具体参见：Xilinx FPGA 复位策略白皮书，既然两者对后级复位没有功能上的差别，那么优先选择同步复位；

经过异步复位同步释放处理后，相比于纯粹的异步复位，降低了异步复位信号释放导致亚稳态的可能性；相比同步复位，能够识别到同步复位中检测不到的复位信号（如上图所示的rst_async在同步复位是检测不到的）；综合两者的优势，异步复位同步释放。

四、Altera复位

Altera还是把这个同步后的复位当作异步复位来用的，且推荐低电平复位。

从上面的分析来看，这里当作异步复位还是同步复位对于复位结果本身没有太大的影响，区别在于Xilinx是推荐同步复位来节省资源（比如DSP48E或BRAM，异步复位比同步复位耗资源），而Altera的FPGA中带异步复位的触发器，想要同步复位需要消耗更多的资源。

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