全局时钟--复位设计
2014-10-26 13:35
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所谓亚稳态，是指“trecovery(recovery time)指的是原本有效的异步复位信号释放（对低电平有效的复位来说就是上跳沿）与紧跟其后的第一个时钟有效沿之间所必须的最小时间。tremoval(removal time)指的是时钟有效沿与紧跟其后的原本有效的异步复位信号变得无效之间所必须的最小时间。如果异步复位信号的上跳沿（以低电平有效为例）落在trecovery与tremoval的窗口之内，触发器的输出端的值将是不确定的，可能是高电平，可能是低电平，可能处于高低电平之间，也可能处于震荡状态），并且在未知的时刻会固定到高电平或低电平。这种状态就称为亚稳态。反映到仿真模型中，输出端的值是不定态X。图中tclk-q是触发器时钟端到Q端的延时，tMET是保证亚稳态不传播到下一级所允许的亚稳态持续的最大时间。”
个人理解：如果RST_n的释放发生在靠近时钟沿或者离时钟沿很近的电，电路可能级没有足够的时间维持RST_n的值，也没有足够的时间维持D输入端口的值，从而造成亚稳态，并通过最后一级与非门传到Q端输出。
同步复位:（复位信号的产生依赖于系统时钟信号）
优缺点：更好的避免亚稳态，但是消耗更多的LE
时钟起到了过滤复位信号小毛刺的作用
同步复位需要一个脉宽沿展器来保证复位信号有一定脉冲宽度，以确保时钟的有效沿能采样到
always@(posedge CLK)
begin
if(!RST_n)
b <= 0;
else
b <= a;
end
异步复位：（复位信号和系统时钟信号相互独立，可以发生在任何时候）
优缺点：消耗更少的LE，但是难以避免LE的消耗
always@(posedge CLK or negedge RST_n)
begin
if(!RST_n)
b <= 0;
else
b <= a;
end
因此，如果对复位信号的处理，能够同步复位+异步复位，那将会是很完美，基于这样的设计能够避免亚稳态的发生，因为他让RST_n信号的释放再晚了一点（寄存器）
根据特权和eBoy的设计，我加之以深化，归纳了3中我们会用到的复位与亚稳态问题
（1）没有PLL
（2）有一个PLL
（3）多个PLL
具体如下：
（1）没有PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl0
(
input clk, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n //系统复位信号，低有效
);
reg rst_nr1,rst_nr2;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_nr1 <= 0;
else rst_nr1 <= 1;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_nr2 <= 0;
else rst_nr2 <= rst_nr1;
end
assign sys_rst_n = rst_nr2;
endmodule
（2）一个PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl1
(
input clk, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n, //系统复位信号，低有效
output clk_125, //PLL1输出125MHz时钟
output clk_65 //PLL2输出65MHz时钟
);
//----------------------------------------------
//PLL复位信号产生，高有效，异步复位，同步释放输出
wire pll_rst; //PLL复位信号，高有效
reg rst_r1,rst_r2; //DFF触发，稳定信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r1 <= 1'b1;
else rst_r1 <= 1'b0;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r2 <= 1'b1;
else rst_r2 <= rst_r1;
end
assign pll_rst = rst_r2;
//----------------------------------------------
//系统复位信号产生，低有效,异步复位，同步释放
//等待两个锁相环都输出稳定的时候，系统释放复位
wire locked; //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
wire sysrst_nr0 = rst_n & locked; //系统复位直到PLL有效输出;
reg sysrst_nr1,sysrst_nr2;
always @(posedge clk_125 or negedge sysrst_nr0)
begin
if(!sysrst_nr0)
begin
sysrst_nr1 <= 1'b0;
sysrst_nr2 <= 1'b0;
end
else
begin
sysrst_nr1 <= 1'b1;
sysrst_nr2 <= sysrst_nr1;
end
end
assign sys_rst_n = sysrst_nr2;
//----------------------------------------------
//例化PLL1产生模块
PLL1 PLL1
(
.areset(pll_rst), //PLL复位信号,高电平复位
.inclk0(clk), //PLL输入时钟，50MHz
.c0(clk_125), //PLL输出125MHz时钟
.c1(clk_65), //PLL输出125MHz时钟(-3.5ns)
.locked(locked) //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
);
endmodule
（3）多个PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl
(
input clk1, //FPAG输入时钟信号50MHz
input clk2, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n, //系统复位信号，低有效
output clk_125, //PLL1输出125MHz时钟
output clk_125_2, //PLL1输出125MHz时钟(-3.5ns)
output clk_65 //PLL2输出65MHz时钟
);
//----------------------------------------------
//PLL1,PLL2复位信号产生，高有效，异步复位，同步释放输出
wire pll_rst1; //PLL1复位信号，高有效
wire pll_rst2; //PLL2复位信号，高有效
reg rst_r1,rst_r2; //DFF触发，稳定信号
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r1 <= 1'b1;
else rst_r1 <= 1'b0;
end
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r2 <= 1'b1;
else rst_r2 <= rst_r1;
end
assign pll_rst1 = rst_r2;
assign pll_rst2 = rst_r2;
//----------------------------------------------
//系统复位信号产生，低有效,异步复位，同步释放
//等待两个锁相环都输出稳定的时候，系统释放复位
wire locked1,locked2; //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
wire sysrst_nr0 = rst_n & locked1 & locked2; //系统复位直到PLL有效输出;
reg sysrst_nr1,sysrst_nr2;
always @(posedge clk_125 or negedge sysrst_nr0)
begin
if(!sysrst_nr0)
begin
sysrst_nr1 <= 1'b0;
sysrst_nr2 <= 1'b0;
end
else
begin
sysrst_nr1 <= 1'b1;
sysrst_nr2 <= sysrst_nr1;
end
end
assign sys_rst_n = sysrst_nr2;
//----------------------------------------------
//例化PLL1产生模块
PLL1 PLL1
(
.areset(pll_rst1), //PLL1复位信号,高电平复位
.inclk0(clk1), //PLL1输入时钟，50MHz
.c0(clk_125), //PLL1输出125MHz时钟
.c1(clk_125_2), //PLL1输出125MHz时钟(-3.5ns)
.locked(locked1) //PLL1输出有效标志位，高表示PLL1输出有效
);
//例化PLL2产生模块
PLL2 PLL2
(
.areset(pll_rst2), //PLL2复位信号,高电平复位
.inclk0(clk2), //PLL2输入时钟，50MHz
.c0(clk_65), //PLL2输出125MHz时钟
.locked(locked2) //PLL2输出有效标志位，高表示PLL2输出有效
);
endmodule
个人理解：如果RST_n的释放发生在靠近时钟沿或者离时钟沿很近的电，电路可能级没有足够的时间维持RST_n的值，也没有足够的时间维持D输入端口的值，从而造成亚稳态，并通过最后一级与非门传到Q端输出。
同步复位:（复位信号的产生依赖于系统时钟信号）
优缺点：更好的避免亚稳态，但是消耗更多的LE
时钟起到了过滤复位信号小毛刺的作用
同步复位需要一个脉宽沿展器来保证复位信号有一定脉冲宽度，以确保时钟的有效沿能采样到
always@(posedge CLK)
begin
if(!RST_n)
b <= 0;
else
b <= a;
end
异步复位：（复位信号和系统时钟信号相互独立，可以发生在任何时候）
优缺点：消耗更少的LE，但是难以避免LE的消耗
always@(posedge CLK or negedge RST_n)
begin
if(!RST_n)
b <= 0;
else
b <= a;
end
因此，如果对复位信号的处理，能够同步复位+异步复位，那将会是很完美，基于这样的设计能够避免亚稳态的发生，因为他让RST_n信号的释放再晚了一点（寄存器）
根据特权和eBoy的设计，我加之以深化，归纳了3中我们会用到的复位与亚稳态问题
（1）没有PLL
（2）有一个PLL
（3）多个PLL
具体如下：
（1）没有PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl0
(
input clk, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n //系统复位信号，低有效
);
reg rst_nr1,rst_nr2;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_nr1 <= 0;
else rst_nr1 <= 1;
end
always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_nr2 <= 0;
else rst_nr2 <= rst_nr1;
end
assign sys_rst_n = rst_nr2;
endmodule
（2）一个PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl1
(
input clk, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n, //系统复位信号，低有效
output clk_125, //PLL1输出125MHz时钟
output clk_65 //PLL2输出65MHz时钟
);
//----------------------------------------------
//PLL复位信号产生，高有效，异步复位，同步释放输出
wire pll_rst; //PLL复位信号，高有效
reg rst_r1,rst_r2; //DFF触发，稳定信号
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r1 <= 1'b1;
else rst_r1 <= 1'b0;
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r2 <= 1'b1;
else rst_r2 <= rst_r1;
end
assign pll_rst = rst_r2;
//----------------------------------------------
//系统复位信号产生，低有效,异步复位，同步释放
//等待两个锁相环都输出稳定的时候，系统释放复位
wire locked; //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
wire sysrst_nr0 = rst_n & locked; //系统复位直到PLL有效输出;
reg sysrst_nr1,sysrst_nr2;
always @(posedge clk_125 or negedge sysrst_nr0)
begin
if(!sysrst_nr0)
begin
sysrst_nr1 <= 1'b0;
sysrst_nr2 <= 1'b0;
end
else
begin
sysrst_nr1 <= 1'b1;
sysrst_nr2 <= sysrst_nr1;
end
end
assign sys_rst_n = sysrst_nr2;
//----------------------------------------------
//例化PLL1产生模块
PLL1 PLL1
(
.areset(pll_rst), //PLL复位信号,高电平复位
.inclk0(clk), //PLL输入时钟，50MHz
.c0(clk_125), //PLL输出125MHz时钟
.c1(clk_65), //PLL输出125MHz时钟(-3.5ns)
.locked(locked) //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
);
endmodule
（3）多个PLL
/********************************************************************
* File Name : System_Ctrl
* Author : Crazy Bingo
* Version : Quartus II 9.1
* Date : 2010/12/4
* Function : 双锁相环系统异步复位
* Description :
*********************************************************************/
module System_Ctrl
(
input clk1, //FPAG输入时钟信号50MHz
input clk2, //FPAG输入时钟信号50MHz
input rst_n, //系统复位信号，低有效
output sys_rst_n, //系统复位信号，低有效
output clk_125, //PLL1输出125MHz时钟
output clk_125_2, //PLL1输出125MHz时钟(-3.5ns)
output clk_65 //PLL2输出65MHz时钟
);
//----------------------------------------------
//PLL1,PLL2复位信号产生，高有效，异步复位，同步释放输出
wire pll_rst1; //PLL1复位信号，高有效
wire pll_rst2; //PLL2复位信号，高有效
reg rst_r1,rst_r2; //DFF触发，稳定信号
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r1 <= 1'b1;
else rst_r1 <= 1'b0;
end
always @(posedge clk1 or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n) rst_r2 <= 1'b1;
else rst_r2 <= rst_r1;
end
assign pll_rst1 = rst_r2;
assign pll_rst2 = rst_r2;
//----------------------------------------------
//系统复位信号产生，低有效,异步复位，同步释放
//等待两个锁相环都输出稳定的时候，系统释放复位
wire locked1,locked2; //PLL输出有效标志位，高表示PLL输出有效
wire sysrst_nr0 = rst_n & locked1 & locked2; //系统复位直到PLL有效输出;
reg sysrst_nr1,sysrst_nr2;
always @(posedge clk_125 or negedge sysrst_nr0)
begin
if(!sysrst_nr0)
begin
sysrst_nr1 <= 1'b0;
sysrst_nr2 <= 1'b0;
end
else
begin
sysrst_nr1 <= 1'b1;
sysrst_nr2 <= sysrst_nr1;
end
end
assign sys_rst_n = sysrst_nr2;
//----------------------------------------------
//例化PLL1产生模块
PLL1 PLL1
(
.areset(pll_rst1), //PLL1复位信号,高电平复位
.inclk0(clk1), //PLL1输入时钟，50MHz
.c0(clk_125), //PLL1输出125MHz时钟
.c1(clk_125_2), //PLL1输出125MHz时钟(-3.5ns)
.locked(locked1) //PLL1输出有效标志位，高表示PLL1输出有效
);
//例化PLL2产生模块
PLL2 PLL2
(
.areset(pll_rst2), //PLL2复位信号,高电平复位
.inclk0(clk2), //PLL2输入时钟，50MHz
.c0(clk_65), //PLL2输出125MHz时钟
.locked(locked2) //PLL2输出有效标志位，高表示PLL2输出有效
);
endmodule
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