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異步控制電路設計

2020-03-20

對于異步電路的研究由來已久,只是由于其理論較為復雜,缺乏有效的設計方法和驗證手段,發展一直非常緩慢。相對而言,同期出現的同步電路因為概念簡單,具有豐富的工程化設計手段而逐漸成為集成電路設計的主流。隨著電路規模的擴大、設計主頻的提高以及制造工藝的限制,同步電路中原先可以忽略的連線延遲、時鐘樹負載等日益突出,設計方法上也面臨著許多難以解決的問題(比如說時鐘偏差問題和時序收斂問題),可以說同步電路在性能上的提高已經相當困難。

與此同時,異步電路由于不存在全局時鐘,能夠有效地規避復雜的時鐘樹設計和時鐘偏差問題,兼具可移植性好、模塊化程度高、電磁兼容性強、功耗低等諸多特性,重新引起了設計者的重視。異步電路通常包含控制邏輯與數據通路兩部分,其中數據通路部分可以采用與同步電路相類似的方法和工具加以處理。本文將主要對異步控制電路的描述機制和設計方法進行綜述。

一、異步電路基本類型

對于同步電路而言,電路的當前狀態保存在寄存器中,其下一狀態由當前狀態和輸入信號經過組合邏輯計算得到,在時鐘的上沿保存到寄存器中。時鐘頻率必須大于等于關鍵路徑的長度。異步電路則采用模塊之間的握手信號來代替全局時鐘信號,各模塊之間自主通信,完成相應的計算。

根據電路延遲模型、電路與外部環境之間的交互模式以及電路行為假設的不同,異步控制電路可以分為Huffman電路、延遲無關電路、準延遲無關電路、速度無關電路以及時延電路等諸多類型。

1、Huffman電路

Huffman電路可以看成由組合邏輯電路和反饋回路兩部分組成,其中組合邏輯電路部分基于有限慣性線延遲模型,反饋回路部分則基于無限慣性反饋延遲模型。Huffman電路采用基本工作模式來實現電路功能,根據電路行為假設的不同可以分為基于單輸入變化假設的基本Huffman電路、猝發模式Huffman電路以及擴展猝發模式Huffman電路。Huffman結構的優勢在于易于實現自動綜合。其問題在于:電路的延遲模型決定了其工作在最壞效率下,且不支持層次化電路設計。此外,一些為了消除毛刺的冗余邏輯會使得此類異步電路的測試變得很困難。

2、延遲無關電路

延遲無關電路基于無限慣性門延遲和線延遲模型,采用輸入/輸出模式來實現電路功能,其請求/應答操作一般采用兩段雙軌編碼握手協議或者四段雙軌編碼握手協議。為了保證延遲無關特性,電路通常需要使用完成檢測電路來確定上一段所發送的數據是否已經接收完成。延遲無關電路可以實現平均效率的處理速度,但由于需要引入比較復雜的控制電路,額外的面積開銷很大。在實現小規模電路時,往往由于控制電路過于復雜而變得不夠經濟。此外,對于通用的電路基本模塊,由于不具有延遲無關性,基本上不能用于延遲無關電路設計,能夠使用的電路模塊只有反相器和C門等很有限的電路單元。為實現復雜的電路結構,通常使用基于其它延遲假設的電路模塊,而存電路模塊之間的接口電路則是延遲無關的。

3、準延遲無關電路

準延遲無關電路是在延遲無關電路模型的基礎上假設其分叉線的延遲是相等的。對于準延遲無關電路,如果將線延遲并入門延遲,即可得到理論上等價的速度無關電路。準延遲無關電路的主要問題在于難以保證電路分叉線的等延遲約束。

4、速度無關電路

速度無關電路基于無限慣性門延遲模型,采用輸入/輸出模型來實現電路,其線延遲可以忽略不計。速度無關結構的優勢在于可以使用更多的功能模塊進行電路綜合;其問題在于:對于現在深亞微米工藝而言,線延遲占有主導地位,電路的延遲假設可能不再適用。同時,保守的延遲模型將導致一些不必要的電路開銷。

5、時延電路

時延電路采用更為接近實際電路的有限延遲模型,可以獲得比速度無關電路和同步電路更好的性能。此外,時延電路可以對實際電路進行更準確的分析和優化,從而省去了由于保守的延遲模型而引入的額外開銷。

時延電路的主要問題在于:加入具體的延遲信息之后,電路的時序信息將會變得非常復雜,從而使得電路的綜合和驗證變得更加困難。同時,電路有限延遲模型的假設對其生產和測試都會提出較高的要求。

二、異步控制電路的設計方法

根據異步控制電路類型和描述機制的不同,異步控制電路設計方法可以大致劃分為基于CSP的方法、基于Petri網的方法以及基于有限狀態機的方法3類。

1、基于CSP的方法

基于CSP(communicating sequential processes)的方法主要采用異步描述語言將控制電路的行為表述為一系列通訊進程,然后采用語法驅動的轉換(syntax-directed translation)工具進行處理得到延遲無關或者準延遲無關異步控制電路,其復雜度與描述文件成線性關系,通常適合大規模電路的設計。

其優點是可以在較高層次對電路行為進行描述,能夠較為充分地挖掘異步控制電路的并行性。其缺點是:(1)設計時無法運用全局優化技術,設計得到的電路工作效率不高;(2)CSP類異步描述語言語法晦澀,難以顯式地表達電路中各事件的因果關系,也就是說難以有效地說明電路信號之間的時序關系;(3)相關EDA工具不完善,難以得到廣泛的接受和使用。

2、基于Petri網的方法

基于Petri網的方法主要采用LPN(labeled petri net)、STG(signal transition graph)或者CD(change diagram)等對控制進行描述,經由可達性分析、狀態編碼、布爾表達式生成、邏輯分解以及工藝映射得到速度無關異步控制電路或者時延電路。

這類方法使用較為廣泛,存在許多較為成熟的綜合算法和流程;可以在較低的邏輯層對電路行為進行描述,能夠利用相關時序信息對電路描述進行優化,產生較為高效的電路結構。其缺點是:(1)采用無限門延遲模型,對線延遲忽略小計,導致電路存在一些不必要的開銷。同時,對于深亞微米工藝而言,線延遲占有主導地位,電路的延遲假設可能不再適用;(2)描述層次較低,需要較為詳細的電路信號變遷的時序關系,因而對大規模異步控制電路的描述難以勝任;(3)采用單輸入變化假設,描述能力存在一定的限制。

3、基于有限狀態機的方法

基于有限狀態機的方法主要采用異步有限狀態機、猝發模式狀態機以及擴展猝發模式狀態機對控制電路的行為進行描述,經由狀態歸約、狀態賦值、邏輯綜合、邏輯分解以及工藝映射分別得到基本模式Huffman電路、猝發模式異步控制電路以及擴展猝發模式Huffman電路。

這類方法與基于有限狀態機的同步電路設計方法類似,可以充分利用或者借鑒現有的設計方法和EDA工具加以處理,不足之處在于不允許輸入和輸出并發變化,當且僅當電路完全穩定,也就是電路的狀態不再發生變化的時候,電路的外部輸入信號才允許改變,由此導致電路的運行周期加長,工作效率降低。

三、異步電路的研究展望

現有的異步控制電路設計方法大多采用邏輯綜合技術加以實現(特別是基于有限狀態機和基于Petri網的異步控制電路設計),其設計流程中存在諸多不足:

(1)為了得到完全可達狀態圖及其狀態編碼,邏輯綜合工具通常需要進行詳盡的token流分析,不可避免地產生狀態空間爆炸的問題;(2)難以找到合適的編碼方式以保證邏輯綜合的可實現性;(3)由于存在狀態空間爆炸,有限啟發式優化等問題,適用規模較小。

基于此,許多研究人員考慮采用直接映射技術實現異步控制電路。直接映射技術是將電路描述的基本拓撲結構映射為具體的邏輯單元,由此構建完整的控制電路,可以有效地處理大規模異步電路的設計。其基本流程如圖4所示。圖中所示為基于Petri網的直接映射實現方法,基于有限狀態機的描述同樣存在直接映射實現方面的研究。

總結

本文首先根據電路延遲模型、電路與外部環境之間的交互模式以及電路行為假設的不同將異步電路劃分為Huffman電路、延遲無關電路、準延遲無關電路、速度無關電路以及時延電路等諸多類型;其次依據異步控制電路的基本類型及其描述機制將已有的異步電路設計方法劃分為基于CSP的設計方法、基于Petri網的設計方法以及基于有限狀態機的設計方法3類,并對這3類設計方法的優缺點進行比較;最后針對已有的邏輯綜合實現技術與直接映射實現技術的優勢與不足,提出了大規模異步控制電路的設計方法和流程。

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