异步复位异步释放会有什么问题？FPGA异步复位为什么要同步释放呢？

一般来说，复位信号有效后会保持比较长一段时间，确保 register 被复位完成。但是复位信号释放时，因为其和时钟是异步的关系，我们不知道它会在什么时刻被释放。

首先看图1，考虑复位信号在两个时钟沿之间被释放的情况。Reset 信号从 Device Pin 到 Flip-Flop 的延迟最大不能超过“Max Time Available”，如果延迟超过了这个限制，那么复位信号的释放会进入 Setup Time 要求的区间，导致 Flip-Flop 进入亚稳态。当时钟频率变高，时钟周期变短，不难发现，要满足这个要求是越来越难的。

图1 - Reset timing diagram, deasserted between clock edges

前面我们提到过，因为是异步信号，我们无法确保信号的释放在一个确定的区间。如图2所示，对于 Flip-Flop 来说，异步信号的释放可能在A区间，也可能在B或者C区间。假设现在我们的设计中包含三个 Flip-Flop，分别为FF1，FF2 和 FF3。FF1 的复位释放落在A区间，所以 FF1 会在复位信号释放后的第一个时钟沿有效，FF3 的复位释放落在C区间，那么 FF3 会在复位信号释放后的第二个时钟沿有效，而 FF2 的复位释放落在B区间，所以 FF2 可能会进入亚稳态。

图2 - Reset deasserted asynchronously to the clock

不同的 FF 因为复位信号释放的位置不同而在不同的时刻有效，这会对设计造成影响吗？

假如我们的设计是如图3所示的情况，是不会对设计的功能造成影响的。在复位释放之后，任何有问题的数据会被Pipeline排出去，经过4个cycle之后，这个pipeline便会恢复到正常的工作状态。

图3 - Reset for a pipeline

但如果我们的设计是如图4所示。被复位的FF是状态机的状态，那么复位释放后很有可能状态机会被复位到一个无效的状态，影响正常的功能。

图4 - Reset for a one-hot state machine

什么是同步释放 ？

从上一部分的内容我们发现，异步信号的异步释放会导致 FF 在不同的时刻有效，甚至进入亚稳态，从而影响设计的功能运行。如何避免这个问题呢？考虑同步释放。顾名思义，同步释放就是让复位信号的释放过程与时钟同步，从而确保所有 FF 在同一时刻有效。

如图5所示，是异步复位同步释放的电路设计。FDP的个数决定复位信号保持的长度，最少要有两个。当复位信号释放后，FDP chain 会将接地的0逐级pipe到最后一个FDP输出，因为该FDP的输出是和Clock同步的，所以FDR的复位释放便是和Clock 同步的。

图5 - Async reset with sync dessertion

最后一个FDP不是仍然是异步复位异步释放么，会不会这个FDP因为异步释放进入亚稳态，那么其输出的复位信号也不确定从而导致复位失败？

答案是不会。FDP会进入亚稳态的条件是什么？一是异步释放非常贴近时钟沿，二是 FDP 输入D在时钟沿附近发生跳变。根据这个电路设计，FDP的输入D时不会在异步释放时发生跳变的，所以FDP不会进入亚稳态。

异步复位同步释放的时序约束

异步复位同步释放的电路我们已经设计好了，如何进行时序约束呢？

对于 FDR，我们可以不用考虑的。因为工具会分析复位信号的 Recovery Time 和 Removal Time 来确保时序收敛。如果发现 Recovey Time 或者 Removal Time 的违反，我们可能需要看一下 reset tree 或者 clock skew。一般都是 Recovey Time的违反，类似于 Setup Time，可能是由于 reset path的延迟太长导致。

对于 FDP，D端是同步电路，而CLR输入端是异步信号，通过电路的设计我们已经避免的异步信号带来的问题，所以为了避免 false timing violation，我们可以对 FDP 的 CLR 端设置 false path。

审核编辑：刘清