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异步控制电路设计

2020-03-20

对于异步电路的研究由来已久,只是由于其理论较为复杂,缺乏有效的设计方法和验证手段,发展一直非常缓慢。相对而言,同期出现的同步电路因为概念简单,具有丰富的工程化设计手段而逐渐成为集成电路设计的主流。随着电路规模的扩大、设计主频的提高以及制造工艺的限制,同步电路中原先可以忽略的连线延迟、时钟树负载等日益突出,设计方法上也面临着许多难以解决的问题(比如说时钟偏差问题和时序收敛问题),可以说同步电路在性能上的提高已经相当困难。

与此同时,异步电路由于不存在全局时钟,能够有效地规避复杂的时钟树设计和时钟偏差问题,兼具可移植性好、模块化程度高、电磁兼容性强、功耗低等诸多特性,重新引起了设计者的重视。异步电路通常包含控制逻辑与数据通路两部分,其中数据通路部分可以采用与同步电路相类似的方法和工具加以处理。本文将主要对异步控制电路的描述机制和设计方法进行综述。

一、异步电路基本类型

对于同步电路而言,电路的当前状态保存在寄存器中,其下一状态由当前状态和输入信号经过组合逻辑计算得到,在时钟的上沿保存到寄存器中。时钟频率必须大于等于关键路径的长度。异步电路则采用模块之间的握手信号来代替全局时钟信号,各模块之间自主通信,完成相应的计算。

根据电路延迟模型、电路与外部环境之间的交互模式以及电路行为假设的不同,异步控制电路可以分为Huffman电路、延迟无关电路、准延迟无关电路、速度无关电路以及时延电路等诸多类型。

1、Huffman电路

Huffman电路可以看成由组合逻辑电路和反馈回路两部分组成,其中组合逻辑电路部分基于有限惯性线延迟模型,反馈回路部分则基于无限惯性反馈延迟模型。Huffman电路采用基本工作模式来实现电路功能,根据电路行为假设的不同可以分为基于单输入变化假设的基本Huffman电路、猝发模式Huffman电路以及扩展猝发模式Huffman电路。Huffman结构的优势在于易于实现自动综合。其问题在于:电路的延迟模型决定了其工作在最坏效率下,且不支持层次化电路设计。此外,一些为了消除毛刺的冗余逻辑会使得此类异步电路的测试变得很困难。

2、延迟无关电路

延迟无关电路基于无限惯性门延迟和线延迟模型,采用输入/输出模式来实现电路功能,其请求/应答操作一般采用两段双轨编码握手协议或者四段双轨编码握手协议。为了保证延迟无关特性,电路通常需要使用完成检测电路来确定上一段所发送的数据是否已经接收完成。延迟无关电路可以实现平均效率的处理速度,但由于需要引入比较复杂的控制电路,额外的面积开销很大。在实现小规模电路时,往往由于控制电路过于复杂而变得不够经济。此外,对于通用的电路基本模块,由于不具有延迟无关性,基本上不能用于延迟无关电路设计,能够使用的电路模块只有反相器和C门等很有限的电路单元。为实现复杂的电路结构,通常使用基于其它延迟假设的电路模块,而存电路模块之间的接口电路则是延迟无关的。

3、准延迟无关电路

准延迟无关电路是在延迟无关电路模型的基础上假设其分叉线的延迟是相等的。对于准延迟无关电路,如果将线延迟并入门延迟,即可得到理论上等价的速度无关电路。准延迟无关电路的主要问题在于难以保证电路分叉线的等延迟约束。

4、速度无关电路

速度无关电路基于无限惯性门延迟模型,采用输入/输出模型来实现电路,其线延迟可以忽略不计。速度无关结构的优势在于可以使用更多的功能模块进行电路综合;其问题在于:对于现在深亚微米工艺而言,线延迟占有主导地位,电路的延迟假设可能不再适用。同时,保守的延迟模型将导致一些不必要的电路开销。

5、时延电路

时延电路采用更为接近实际电路的有限延迟模型,可以获得比速度无关电路和同步电路更好的性能。此外,时延电路可以对实际电路进行更准确的分析和优化,从而省去了由于保守的延迟模型而引入的额外开销。

时延电路的主要问题在于:加入具体的延迟信息之后,电路的时序信息将会变得非常复杂,从而使得电路的综合和验证变得更加困难。同时,电路有限延迟模型的假设对其生产和测试都会提出较高的要求。

二、异步控制电路的设计方法

根据异步控制电路类型和描述机制的不同,异步控制电路设计方法可以大致划分为基于CSP的方法、基于Petri网的方法以及基于有限状态机的方法3类。

1、基于CSP的方法

基于CSP(communicating sequential processes)的方法主要采用异步描述语言将控制电路的行为表述为一系列通讯进程,然后采用语法驱动的转换(syntax-directed translation)工具进行处理得到延迟无关或者准延迟无关异步控制电路,其复杂度与描述文件成线性关系,通常适合大规模电路的设计。

其优点是可以在较高层次对电路行为进行描述,能够较为充分地挖掘异步控制电路的并行性。其缺点是:(1)设计时无法运用全局优化技术,设计得到的电路工作效率不高;(2)CSP类异步描述语言语法晦涩,难以显式地表达电路中各事件的因果关系,也就是说难以有效地说明电路信号之间的时序关系;(3)相关EDA工具不完善,难以得到广泛的接受和使用。

2、基于Petri网的方法

基于Petri网的方法主要采用LPN(labeled petri net)、STG(signal transition graph)或者CD(change diagram)等对控制进行描述,经由可达性分析、状态编码、布尔表达式生成、逻辑分解以及工艺映射得到速度无关异步控制电路或者时延电路。

这类方法使用较为广泛,存在许多较为成熟的综合算法和流程;可以在较低的逻辑层对电路行为进行描述,能够利用相关时序信息对电路描述进行优化,产生较为高效的电路结构。其缺点是:(1)采用无限门延迟模型,对线延迟忽略小计,导致电路存在一些不必要的开销。同时,对于深亚微米工艺而言,线延迟占有主导地位,电路的延迟假设可能不再适用;(2)描述层次较低,需要较为详细的电路信号变迁的时序关系,因而对大规模异步控制电路的描述难以胜任;(3)采用单输入变化假设,描述能力存在一定的限制。

3、基于有限状态机的方法

基于有限状态机的方法主要采用异步有限状态机、猝发模式状态机以及扩展猝发模式状态机对控制电路的行为进行描述,经由状态归约、状态赋值、逻辑综合、逻辑分解以及工艺映射分别得到基本模式Huffman电路、猝发模式异步控制电路以及扩展猝发模式Huffman电路。

这类方法与基于有限状态机的同步电路设计方法类似,可以充分利用或者借鉴现有的设计方法和EDA工具加以处理,不足之处在于不允许输入和输出并发变化,当且仅当电路完全稳定,也就是电路的状态不再发生变化的时候,电路的外部输入信号才允许改变,由此导致电路的运行周期加长,工作效率降低。

三、异步电路的研究展望

现有的异步控制电路设计方法大多采用逻辑综合技术加以实现(特别是基于有限状态机和基于Petri网的异步控制电路设计),其设计流程中存在诸多不足:

(1)为了得到完全可达状态图及其状态编码,逻辑综合工具通常需要进行详尽的token流分析,不可避免地产生状态空间爆炸的问题;(2)难以找到合适的编码方式以保证逻辑综合的可实现性;(3)由于存在状态空间爆炸,有限启发式优化等问题,适用规模较小。

基于此,许多研究人员考虑采用直接映射技术实现异步控制电路。直接映射技术是将电路描述的基本拓扑结构映射为具体的逻辑单元,由此构建完整的控制电路,可以有效地处理大规模异步电路的设计。其基本流程如图4所示。图中所示为基于Petri网的直接映射实现方法,基于有限状态机的描述同样存在直接映射实现方面的研究。

总结

本文首先根据电路延迟模型、电路与外部环境之间的交互模式以及电路行为假设的不同将异步电路划分为Huffman电路、延迟无关电路、准延迟无关电路、速度无关电路以及时延电路等诸多类型;其次依据异步控制电路的基本类型及其描述机制将已有的异步电路设计方法划分为基于CSP的设计方法、基于Petri网的设计方法以及基于有限状态机的设计方法3类,并对这3类设计方法的优缺点进行比较;最后针对已有的逻辑综合实现技术与直接映射实现技术的优势与不足,提出了大规模异步控制电路的设计方法和流程。

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