时钟、复位与上电初始化

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1. 复位

FPGA中复位设计总结
深入理解复位—同步复位，异步复位，异步复位同步释放(含多时钟域）

• 同步复位：指复位信号同步执行、同步释放。优点是时序简单，无亚稳态问题。缺点是响应依赖同步clk。Xilinx FPGA内置的FDRE含有同步复位接口，推荐同步复位。

• 异步复位：指复位信号异步执行、异步释放。优点是不依赖同步clk、响应迅速。缺点是复位释放的时候，时钟若采样复位信号跳变时刻，寄存器信号容易出现亚稳态。

例如

always@(posedge clk or negedge rst_n) begin
	if(!rst_n) 
     	b <= 1'b0;
 	else 
     	b <= a;
end

因此为了保证全局复位不消耗太多组合逻辑，也能保证避免异步复位释放导致的亚稳态，如何作？

2.1. 异步复位 同步释放

• 异步复位，同步释放：复位信号异步执行，释放时同步到时钟。

例如下面代码中使用异步复位信号rst_async_n，生成rst_sync_n就实现了异步置0、同步置1

// rst_async_n为异步复位信号
always@(posedge clk or negedge rst_async_n) begin
   if(!rst_async_n) begin
       rst_s1     <= 1'b0;
       rst_sync_n <= 1'b0;
   end
   else begin
       rst_s1     <= 1'b1;
       rst_sync_n <= rst_s1;
   end
end

  	//由于rst_sync_n复位启动还是异步的，所以必须加入敏感列表中
     always@(posedge clk or negedge rst_sync_n) begin
         if (!rst_sync_n) 
         	dout <= 1'b0;
         else          
         	dout <= din;
     end

综合电路如下：

出现亚稳态的波形图如下

如上图所示：

• T1时刻：rst_async_n异步复位启动，rst_s1和rst_sync_n全部拉低，与clk无关

注意T1时刻是异步的，不涉及clk采样，因此rst_s1和rst_sync_n不会出亚稳态

• T2时刻：rst_async_n异步复位释放，此时clk采样rst_async_n边沿，采样值不定，因此rst_s1出现0、1之间的亚稳态。rst_sync_n仍然保持0
• T3时刻：rst_s1可能恢复也可能还是亚稳态，但clk采样到rst_async_n为1，因此rst_s1恢复为1。rst_sync_n则相当于对T2时刻的rst_async_n打两拍处理，因此会稳定至0或1两种状态，并处于clk时钟域下！

发现没有T2时刻本质上是对rst_async_n作电平同步！！！那么rst_sync_n一定会稳定在clk时钟域下的高电平。
参考异步时钟亚稳态 的解决方案——单bit信号

即T2时刻的逻辑可以看成：

always@(posedge clk) begin
       rst_s1     <= rst_async_n;
       rst_sync_n <= rst_s1;
end

clk未采样到rst_async_n为低的情形

如果在clk稳定之前rst_async_n就已经拉高了，如下图所示

可以看出rst_sync_n复位会却取决于上电初始值，初始值为1’b1则不会产生复位、初始值为1’b0实际只复位1拍。

2.2. Xilinx FPGA复位设计

第三章第1讲 Verilog语法reg变量复位使用以及异步复位同步释放设计（FPGA/IC设计公开课）- bilibili
Xilinx FPGA异步复位同步释放——同步后的复位当作同步复位还是异步复位？【FPGA探索者】
聊一聊xilinx 7系列推荐使用的复位方式

Xilinx复位准则：

• 尽量少用复位。数据路径的复位通常是不需要的，因为，老的数据总会被新数据“冲走”。控制路径可以加入复位，以确保FPGA在复位时状态可控。

例如状态机状态信号state就必须加复位，不加复位会导致全局复位结束后，状态未知，可能不在IDLE
包括读写使能这种控制信号必须加复位，否则会导致全局复位状态下对RAM、FIFO这一类存储逻辑执行读写
以及控制路径上的信号有的也要加复位，例如
assign wr_en = A || (cnt