FPGA中打拍、异步复位、亚稳态、三段式状态机的理解_fpga打拍

1.亚稳态的产生及解决

Tsu：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以前，数据稳定不变的时间，如果建立时间不够，数据将不能在这个时钟上升沿被稳定的打入触发器，Tsu就是指这个最小的稳定时间
Th：是指在触发器的时钟信号上升沿到来以后，数据稳定不变的时间，如果保持时间不够，数据同样不能被稳定的打入触发器，Th就是指这个最小的保持时间

产生原因：简单来说，就是当时钟信号上升沿到来的时候正好采样的数据也在发生变化，但是对于采样的时钟信号，如果想要采样得到一个稳定值，在clk的上升沿的前一段时间有一个建立时间TSU和在clk的上升沿的后一段时间有一个保持时间Th，如果在这两个时间段内采样的信号D发生跳变的话，输出的信号Q就会出现0，1之间跳变的不稳定、不确定状态，从而对采样结果产生干扰，这就是亚稳态。

解决方法：
仅仅适用于 慢时钟域到快时钟域

由上图可知，采样信号sig是慢时钟域的信号，正好当第一个clk上升沿建立时间和保持时间内采样信号发生了变化，reg1及出现了一个亚稳态的状态，当第二个采样时钟对reg1进行采样时，在第二个clk上升沿的建立时间和保持时间的范围内 reg1保持在稳定的概率要比第一个时刻大得多，相应的发生亚稳态的概率也会减小，一般来说，第一级寄存器的发生亚稳态的之后稳定的概率为70%，第二次寄存器发生亚稳态之后稳定的概率为99%

就是说在绝大多数时候，第一级寄存器即使出现亚稳态，也会在一个时钟周期内稳定下来，这样第二级寄存器就会采到的就是一个稳定的值。并不是说第二级寄存器所输出的第一个状态 就是输入的第一个状态，只能说第二个寄存器输出第一个的状态是稳定的，之后的状态是跟输入的状态保持一致的

2.打拍子
在FPGA中，常见病的打拍子 ：我们可以理解为把某个信号延迟了一个时钟周期，推而广之：“打两拍”就是延迟两个时钟周期，“打n拍”就是延迟n个时钟周期。
其实不是每个信号都需要打拍子，打两拍是为了消除亚稳态。
（1）在全同步设计中，如果信号来自同一时钟域，各模块的输入不需要寄存。
（2）如果这个输入信号来自异步时钟域(比如FPGA芯片外部的输入)，必须寄存两拍。第一拍将输入信号同步化，同步化后的输出可能带来建立/保持时间的冲突，产生亚稳态。需要再寄存一拍，减少(注意是减少)亚稳态带来的影响。
3.异步复位跟同步复位
同步复位：（缺点：复位信号的有效时长必须大于时钟周期，才能真正被系统识别并完成复位任务）
复位信号只有在时钟上升沿到来时才能有效。
verilog中表现形式：
always@(posedge sys_clk)

3.异步复位：（缺点：复位信号容易受到毛刺的影响或者亚稳态）
无论时钟沿是否到来，只要复位信号有效，就进行复位。
verilog中表现形式：
always@(posedge sys_clk or negedge rst_n)

推荐使用异步复位，同步释放的方式，而且复位信号低电平有效。
所谓异步复位同步释放，就是在rst_n信号为低时，立刻进行复位，而rst_n信号由低到高释放时，为了防止亚稳态的出现，将rst_n信号用DFF向后延一周期，达到与时钟clk边沿同步的目的。

在这里插入代码片
module asyn_reset(
	clk	    ,
	rst_n	,
	
	rst_s2
);
 
input clk	;
input rst_n	;
 
output reg rst_s2;
 
reg rst_s1;
 
always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin
	if (!rst_n) begin
		rst_s1 <= 1'b0;
		rst_s2 <= 1'b0;
	end
	else begin
	   rst_s1 <= 1'b1	;
	   rst_s2 <= rst_s1	;
	end
end
 
endmodule
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具体可以参考这个：

在这里插入代码片
https://blog.csdn.net/zhangduang_KHKW/article/details/122308445?ops_request_misc=%257B%2522request%255Fid%2522%253A%2522165580279416781435434710%2522%252C%2522scm%2522%253A%252220140713.130102334.pc%255Fall.%2522%257D&request_id=165580279416781435434710&biz_id=0&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2~all~first_rank_ecpm_v1~rank_v31_ecpm-10-122308445-null-null.142^v20^control,157^v15^new_3&utm_term=%E5%BC%82%E6%AD%A5%E5%A4%8D%E4%BD%8D%EF%BC%8C%E5%90%8C%E6%AD%A5%E9%87%8A%E6%94%BE&spm=1018.2226.3001.4187
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4.三段式状态机

之前按照CSDN在vivado中试过三段式状态机，踩过一些坑。比如按照网上教程，仿真中没有任何问题，下载到开发板中状态切换不成功。下面是我做的一个乒乓FIFO三段式状态机

在这里插入代码片
//第一个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器迁移到现态寄存器
 
always @ (posedge clk or negedge rst_n)  //异步复位
 if(!rst_n)
   current_state <= IDLE;
 else
   current_state <= next_state;//注意，使用的是非阻塞赋值
 
//第二个进程，组合逻辑always模块，描述状态转移条件判断
always @ (current_state)   //电平触发
  begin
    next_state = x;  //要初始化，使得系统复位后能进入正确的状态
    case(current_state)
    S1: if(...)
       next_state = S2;  //阻塞赋值
    ...
    endcase
end
 
//第三个进程，同步时序always模块，格式化描述次态寄存器输出
always @ (posedge clk or negedge rst_n)
//初始化
....
case(next_state)
S1:
   out1 <= 1'b1;  //注意是非阻塞逻辑
S2:
   out2 <= 1'b1;
default:...   //default的作用是免除综合工具综合出锁存器。
endcase
end
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三段式：状态切换用时序逻辑，次态输出用组合逻辑，信号输出用时序逻辑。
其中有个坑： 第二段的条件，如果使用仿真always @ (current_state) 或者 always@（*）或者always@（posedge clk）都是正确的，但是当你下载到开发板中，你会发现always@（posedge clk）切换状态不成功，前面两种都可以。
当然，还需要注意的是：组合逻辑跟时序逻辑的非阻塞赋值跟阻塞赋值。第二段状态机是时序逻辑，用的阻塞赋值。