數(shù)字IC設(shè)計(jì)中的復(fù)位樹(shù)

為什么需要復(fù)位樹(shù)

復(fù)位信號(hào)在數(shù)字電路里面的重要性?xún)H次于時(shí)鐘信號(hào)。對(duì)一個(gè)芯片來(lái)說(shuō)，復(fù)位的主要目的是使芯片電路進(jìn)入一個(gè)已知的，確定的狀態(tài)。主要是觸發(fā)器進(jìn)入確定的狀態(tài)。在一般情況下，芯片中的每個(gè)觸發(fā)器都應(yīng)該是可復(fù)位的。在某些情況下，當(dāng)在高速應(yīng)用程序中使用流水線(xiàn)觸發(fā)器(移位寄存器觸發(fā)器)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)更高的性能設(shè)計(jì)，可能會(huì)從某些觸發(fā)器中消除復(fù)位。這種類(lèi)型設(shè)計(jì)需要在復(fù)位激活期間，運(yùn)行預(yù)先確定數(shù)量的時(shí)鐘周期，以使芯片處于已知的狀態(tài)。

復(fù)位樹(shù)是復(fù)位電路形成的類(lèi)似于時(shí)鐘樹(shù)的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，因?yàn)閺?fù)位信號(hào)也要送到各個(gè)寄存器上。復(fù)位樹(shù)和時(shí)鐘樹(shù)一樣應(yīng)該引起重視，因?yàn)榈湫偷臄?shù)字電路中，reset的負(fù)載和clock的負(fù)載數(shù)量一般是相當(dāng)?shù)?。不管是同步?fù)位還是異步復(fù)位，對(duì)復(fù)位樹(shù)都是有時(shí)序要求的。

復(fù)位信號(hào)用什么電路產(chǎn)生

POR是上電復(fù)位電路（Power-On Reset），廣泛應(yīng)用于各種數(shù)字電路和系統(tǒng)中。上電復(fù)位電路就是在電源電壓上升過(guò)程中一直保持低電平（有效復(fù)位電平），直到電源電壓穩(wěn)定達(dá)到系統(tǒng)規(guī)定的正常工作電壓后才迅速產(chǎn)生一個(gè)高電平（無(wú)效復(fù)位電平）。在復(fù)位信號(hào)電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)時(shí)，電源所上升到的電壓值被稱(chēng)作復(fù)位電路的“起拉電壓”。

上圖是一種基于RC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單復(fù)位電路，復(fù)位信號(hào)在上電開(kāi)始的一段時(shí)間內(nèi)保持低電平接近零伏），隨著電源電壓Vcc通過(guò)電阻R1對(duì)電容器C1充電，當(dāng)電容上極板的電壓達(dá)到一定高位后觸發(fā)后級(jí)門(mén)電路，復(fù)位信號(hào)隨即輸出高電平。

如下圖所示，復(fù)位信號(hào)源也是CRG（時(shí)鐘復(fù)位信號(hào)產(chǎn)生模塊）的重要組成部分。

復(fù)位實(shí)現(xiàn)主要有同步復(fù)位和異步復(fù)位兩種方式，兩種方式使用的寄存器結(jié)構(gòu)和復(fù)位樹(shù)結(jié)構(gòu)都不相同。

同步復(fù)位

同步復(fù)位采用下圖所示的寄存器電路，復(fù)位信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)組合邏輯接入到寄存器的數(shù)據(jù)輸入端，二者共用時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位也必須在時(shí)鐘有效沿下才能生效。

同步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)：1、同步復(fù)位可以確保整個(gè)電路為同步電路；2、同步復(fù)位對(duì)復(fù)位信號(hào)毛刺不敏感，可以過(guò)濾掉復(fù)位信號(hào)的毛刺；3、同步復(fù)位相比于異步復(fù)位而言會(huì)綜合成更小的觸發(fā)器。

同步復(fù)位的缺點(diǎn)：1、同步復(fù)位要求復(fù)位脈沖信號(hào)要盡可能的寬，必要的時(shí)候需要對(duì)復(fù)位信號(hào)進(jìn)行脈沖展寬，從而保證復(fù)位信號(hào)能夠出現(xiàn)在時(shí)鐘有效沿到來(lái)時(shí)；2、同步復(fù)位需要保證時(shí)鐘存在才能對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位，在某些使用時(shí)鐘門(mén)控節(jié)約功耗的場(chǎng)景下，由于沒(méi)有時(shí)鐘，可能會(huì)造成復(fù)位失效，此時(shí)必須使用異步復(fù)位。

異步復(fù)位

下圖是一種異步復(fù)位采用的寄存器結(jié)構(gòu)，將邊沿觸發(fā)器的非門(mén)替換為或非門(mén)。SD=RD=0時(shí)為工作態(tài)；SD=1&RD=0為置1態(tài)；SD=0&RD=1為置0態(tài)。該寄存器的復(fù)位生效不需要依賴(lài)于時(shí)鐘有效沿。

異步復(fù)位的優(yōu)點(diǎn)：1、異步復(fù)位具有最高優(yōu)先級(jí)，不管有沒(méi)有時(shí)鐘都能正確復(fù)位，綜合工具能夠自動(dòng)推斷出異步復(fù)位而不需要添加額外綜合參數(shù)。2、生產(chǎn)商所提供的單元庫(kù)中帶有異步復(fù)位觸發(fā)器，可以保證數(shù)據(jù)路徑干凈，可以減小路徑延時(shí)，緩解時(shí)序緊張。

異步復(fù)位的缺點(diǎn)：1、異步復(fù)位使整個(gè)系統(tǒng)不再是同步系統(tǒng)，異步復(fù)位在時(shí)鐘有效沿附近釋放需要滿(mǎn)足移除時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間的時(shí)序要求，如果不滿(mǎn)足即會(huì)出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài)。2、異步復(fù)位對(duì)復(fù)位信號(hào)的毛刺比較敏感，需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的毛刺過(guò)濾器來(lái)對(duì)復(fù)位毛刺進(jìn)行消除。

異步復(fù)位，同步恢復(fù)：所有的復(fù)位信號(hào)是用兩集同步器的第二級(jí) reg送到后來(lái)的reg系列，這個(gè)reg和后面的所有reg系列都有recover和removal timing check。

一般復(fù)位信號(hào)送到芯片內(nèi)部之前需要經(jīng)過(guò)同步處理，一般使用兩級(jí)同步器。兩級(jí)同步器是1防止reset中的glitch導(dǎo)致reg錯(cuò)誤反轉(zhuǎn)；2防止復(fù)位移除時(shí)剛好處于時(shí)鐘跳變邊沿導(dǎo)致亞穩(wěn)態(tài)，所以把reset信號(hào)通過(guò)同步電路變成clk clock這個(gè)group中的一級(jí)信號(hào)，同步化。

所以對(duì)于異步復(fù)位同步恢復(fù)，復(fù)位時(shí)鐘樹(shù)不用單獨(dú)處理，同步器的reg和功能reg自己做平。復(fù)位時(shí)時(shí)鐘頻率也可以拉低，比較容易滿(mǎn)足時(shí)序要求。