（计算机应用技术专业论文）soc异步互联技术研究.pdf

摘要 本论文研究了g a l s ( 全局异步局部同步) 系统的设计方法和实现过程。论文分 析了异步电路的握手协议和握手电路的实现方法，研究了异步单元电路的设计技 术和相应的综合工具的使用。在分析了g a l s 网络的拓扑结构之后，设计并实现 了一种新的g a l s 异步封装模块。 论文在研究了异步电路工作原理与相应握手协议、g a l s 系统的相关概念、 g a l s 模型和g a l s 系统握手协议的基础上，具体地给出了一个g a l s 异步封装 电路设计方案，并设计了一种新的g a l s 异步封装电路，实现了该设计的同步异 步转换接口模块和局部可暂停时钟模块；随后，对一个点对点g a l s 系统和一个 自定时环g a l s 系统进行了软件功能仿真，证明了设计的正确性；其中，点对点 g a l s 系统设计被下载到f p g a 上进行了的逻辑验证。 论文的另一个工作是对g a l s 异步封装系统进行形式化验证。论文分析和研 究了形式化验证方法，对所设计的新的g a l s 异步封装电路的v e r i l o g 源代码进行 了修改，最后在验证工具v i s 上完成了对本设计的模型检测验证。 关键词：g a l s 系统异步电路异步封装模型检测 a b s t r a c t t h i s p a p e r w o r k so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o do fg a l s ( g l o b a l l y - a s y n c h r o n o u sl o c a l l y - s y n c h r o n o u s ) s y s t e m t h ea s y n c h r o n o u sh a n d s h a k e p r o t o c o la n dt h em e t h o do fi m p l e m e n t i n ga s y n c h r o n o u sc i r c u i ta r ea n a l y z e d t h e t e c h n i q u e so fd e s i g na s y n c h r o n o u sc e l la n dr e l a t e ds y n t h e s i st o o l sa r ea l s oi n t r e d u c e d b a s e do nt h et o p o l o g ys 血 u c r n eo fg a l sn e t w o r k , an o v e lg a l sa s y n c h r o n o u s w r a p p e ri sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e d a f t e rt h er e s e a r c ho na s y n g h r o n o u sc i r c u i tp r i n c i p l e ，h a n d s h a k ep r o t o c o l s ，t h e c o n c e p t i o no fg a l ss y s t e m , g a l sm o d e la n dg a l sa s y n c h r o n o u sh a n d s h a k e p r o t o c o l ，ag a l sa s y n c h r o n o u sw r a p p e ri sp u tf o r w a r d t h e nt h ep a p e rp r o v i d e sa n o v e lg a l sa s y n c h r o n o u sw r a p p e r i t ss y n c h r o n o u s a s y n c h r o n o u se x c h a n g ei n t e r 矗i c e s a n dal o c a lp a u s i a b l ed o c ka r eg i v e n ；l a t e r , ap o i n tt op o i n tg a l ss y s t e ma n da s d f i i m e d - r i n gg a l ss y s t e ma r es i m u l a t e do ne d at o o l st ov e r i f yt h e i rc o r r c c 协e s s f i n a l l y ，t h ep o i n t t op o i n tg a l ss y s t e mi sd o w n l o a d e dt of p g a ( c y c l o n e l l ) a n o t h e rw o r ko ft h i sp a p e ri st of o r m a l l yv e r i f yt h en o v e lg a l sa s y n c h r o n o u s w r a p p e rb ym o d e lc h e c k i n gm e t h o d t h ep a p e rr e s e a r c h sa n da n a l y z e st h eh a r d w a r e f o r m a lv e r i f i c a t i o n , t h e nt h ev e r i l o gc o d eo ft h en o v e lg a l sa s y n c h r o n o u sw r a p p e ri s m o d i f i e ds ot h a tt h en e wd e s i g nc a nb ev e r i f i e db ym o d e lc h e c k i n gt o o l sv i s k e yw o r d s ：g a l ss y s t e ma s y n c h r o n o u sc i r c u i ta s y n c h r o n o u sw r a p p e r m o d e lc h e c k i n g 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期堡z ：2 ：兰! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 史- 其蜂 导师签名：! 蛩堑堑 日期堡! z ! ：1 2 日期至! z ! ! 0 第一章绪论 第一章绪论 在微电子技术高速发展的今天，传统的同步和异步设计方法已经出现了许多 不足。g a l $ 系统结合了同步设计和异步设计的优点，是一种很有希望在大规模集 成电路设计中实现的系统设计方案。目前，我国对g a l s 系统领域的研究尚处初 级阶段，所以从发达国家学习其相关技术是非常有意义的，并且是迫在眉睫的任 务。 1 1 课题背景研究 无论是过去还是现在，大多数大规模数字集成电路系统用同步设计方法进行 电路设计。同步设计方法中往往拥有一个全局的时钟信号，在整个芯片范围内按 全局时钟信号的上升沿或下降沿触发局部电路的状态改变。同步设计的流行是由 于：在全局时钟信号的上升沿或下降沿改变电路的状态，可以确保电路在状态稳 定的情况下进行信号的转变，从而防止了毛刺等不稳定状态；而且同步设计方法 易于设计，有许多逻辑综合工具可以辅助设计，设计的验证也比较方便。 但是随着c m o s 技术的发展，同步设计方法面临着一些关键的挑战和问题： 1 ，更快的组合逻辑器件需要更短的时钟周期，然而要缩短时钟周期很难，因 为该时钟可能分布到很远的地方。 2 在空闲时，分布的时钟信号会消耗大量的电能。( 典型的是总消耗的1 4 到 1 3 ) 3 允许的时钟倾斜( s k e w ) 减少，然而连线延时使时钟倾斜增加。 4 ，全局时钟由系统中最慢的模块决定，限制了系统的速度。 5 难以设计多时域系统。 为了解决同步设计产生的以上问题，人们想用异步电路设计的方法来弥补同 步设计方法的不足。其实异步设计方法早在同步设计方法出现之前已经存在，但 是由于该设计方法的一些显著缺点： 1 异步电路很难设计，容易产生毛刺。有时这些毛刺对于系统来说是致命的。 2 支持异步设计的e d a 工具不多。 3 很难对异步电路进行测试。 主要是由于第一个缺点，人们提出了同步设计方法来取代异步设计方法，从 而大大推动了集成电路设计的发章。但是目前的同步设计又遇到一些问题，所以 人们回想到能不能用异步设计方法来克服这些问题。 异步设计方法的优点如下： 1 因为没有时钟信号分布，所以不存在缩短时钟周期和时钟倾斜问题。 2s o c 异步互联技术研究 2 在空闲时不会消耗大量电能，设计出的电路很省电。 3 系统的速度是平均情况性能，而不是由系统中最慢的模块决定。 总之，同步、异步电路设计方法各有其有缺点，他们的许多有缺点是互补的。 1 9 8 4 年，s t a n f o r d 大学的d m c h a p i r o 在他的博士论文中首先提出了o a l s ( g l o b a l l y - a s y n c h r o n o u sl o c a l l y - s y n c h r o n o u s ) 方法，即全局异步局部同步方法。 ( a l s 方法很好地结合了同步设计和异步设计方法的优点，特别是在解决多时域问 题和模块更新的复用性等方面有着得天独厚的优势。在短短的2 0 年时间里，国外 许多大学和科研机构对g a l s 系统该研究领域进行了深入地研究，取得了多宝贵经 验和成果。但是在国内，该领域的研究几乎是空白，所以我国在赶超国外先进技 术水平的道路上，还有许多艰辛的路要走。 i 2 课题研究的目的及意义 随着微电子技术的发展和工业水平的进步，同步设计方法遇到了空前的困难 和挑战。虽然异步设计方法可以克服同步设计方法所遇到的一些问题，但是由于 异步设计方法本身存在着一些根本往的缺点和难题，所以试图用异步设计方法来 取代同步设计方法是不可行的。 为了克服同步设计和异步设计方法的缺点，结合两者的优点，在1 9 8 4 年人们 提出了g a l s 系统的解决方案。该系统由多个不同时域的同步模块组成，各个同 步模块之间进行异步数据的传送。g a l s 系统在处理多时域问题和模块的复用性问 题上都有很大的优势，而且由于各同步模块在需要的时候才工作，其他时间可以 处于暂停状态，所以( ；a l s 系统是一个很节电的设计方案。 目前，在工程中遇到的多时域问题还是很多的。例如：在设计一个大型计算 机的时候，可能需要许多处理器芯片组成处理器阵列以共同进行大型计算。如果 用同步设计方法，那么该大型计算机系统的全局时钟必须满足最慢的处理器模块 的时钟频率，不然那些较慢的处理器会因为速度跟不上而工作失常了。所以，用 同步设计方法会大大降低整个系统的速度。如果又遇到处理器故障或更新的问题， 可能必须对该系统在设计上做较大幅度的修改了。此外，为了维持各处理器模块 的正常工作，系统一定会消耗很多电能。 和同步方法相比较，若采用g a l s 系统来实现该大型计算机系统，则该系统 不需要全局时钟，各个处理器模块可以按照自身的局部时钟频率工作，可以使整 个系统在速度上达到最快。如果有处理器模块发生故障或需要升级更新，由于各 个处理器模块的工作是独立的，只要能保持处理器模块问异步传送的数据正确， 可以任意的将该系统中的某个处理器模块更换维修或升级，不会影响到其他处理 器的正常工作和计算。在耗电方面，由于各个处理器模块只需要在计算的时候工 第一章绪论 作，其它时间可以让局部时钟模块保持暂停，这样就可以节省为维持时钟信号而 消耗的大量电能。 、 在近2 0 年的发展时间里，尽管许多国外的大学机构和科学家对g a l s 系统进 行了深入的研究，但是在国内，该领域的发展仍然才刚刚起步。为了使我国在和 国外发达国家信息技术的激烈竞争中不至于落后，国内应该学习和借鉴发达国家 在该领域的经验教训和研究成果，从而加快发展我国的研究水平，最终能赶上甚 至超越发达国家的技术水平。因此，对g a l s 系统的研究是必要的，意义深远的。 1 3 国内外研究和发展现状 虽然g a l s 系统在19 8 4 年才由s t a n f o r d 大学的d ，m c h a p i r o 博士提出，但是 在s o c 设计方面对g a l s 系统发展的时间却是在最近l o 年里。尽管发展时间不长， 全世界还是有许多的著名大学及研究机构都对g a l s 系统进行了深入的研究探索。 目前在这些对g a l s 系统研究的机构中，苏黎世联帮理工学院的集成系统实 验室( t h e i n t e g r a t e ds y s t e m s l a b o r a t o r y o f e t h z u r i c h ) 无疑是其中做得最为出色 的。e t h 早在1 9 9 8 年就开始了g a l s 系统的研究，在此期间一些g a l s 电路被成 功地设计和测试，实现了3 个功能完整的g a l s 系统：( 分别如图1 1 ( 1 ) 、2 1 ( 2 ) 、 2 1 ( 3 ) 所示) 1 1 9 9 9 年实现了有8 个密码芯片组成的g a l s 系统( 最大时钟3 3 0 h z ) 。 2 2 0 0 2 年设计实现了有2 5 个模块的g a l s 系统来评估不同的互联结构。 3 2 0 0 5 年设计实现了a e s 算法芯片，其路径被修改为g a l s 结构。 图1 1e t h 研发的三块芯片 在国内，西南交通大学的庄圣贤教授是g a l s 系统设计方面的专家，他提出 了基于一种新的握手协议的g a l s 系统异步封装电路设计，在国内此领域算是较 好的学术论文。由于国内对g a l s 系统的研究起步较晚，目前正在从事这项研究 的国内单位还比较少。 尽管在学术界对g a l s 系统的研究取得了一定的成果，但是工业界却还是很 少将g a l s 系统应用到实际的产品设计中。因此要真正使g a l s 系统的设计有飞 4 s o c 异步互联技术研究 跃般的发展，工业界的公司特别是知名大公司应该积极投资对g a l s 系统的研究， 从而使g a l s 系统能走出大学和实验室，成为工业产品中的实际解决方案。 1 4 本文主要内容及章节 因为在g a l s 系统的设计过程中需要设计一些异步电路模块，所以必须对相 关的异步电路的设计有比较详细的了解。所以本文在第二章具体的介绍了异步电 路及其设计的相关知识。第三、四章是有关g a l s 系统的概述和设计实现的，本 文提及了目前一些流行的g a l s 系统的设计方案，同时提出了自己的一种新的设 计方案。在第五章中，本文又提出一种验证g a l s 系统的形式化验证方法，并用 此方法验证了一个点对点的g a l s 系统。 本文共分六章，其中第一章为绪论部分，主要对课题研究背景，研究意义及 国内外研究情况作了简要介绍；第二章介绍了异步电路的概念及其设计原理，包 括异步电路的分类、握手协议、握手的电路实现、s t g 模型及异步电路综合工具； 第三章概述了g 刘漆系统，说明了g a l s 系统的定义、g a l s 的优点、点对点g a l s 系统的模型及其他网络拓扑结构模型；第四章具体叙述了g a l s 系统的设计及实 现方法，描述了其握手协议、同步异步互换接口、可暂停时钟模块及一个点对点 g a l s 系统实例。第五章介绍了对g a l s 系统的形势化验证方法，提及了模型检 测方法、验证工具v i s 及验证一个点对点g a l s 系统的实例。第六章是全文的总 结部分。 第二章异步电路及其设计原理 第二章异步电路及其设计原理 如今大多的数字电路系统是用同步的方法设计的，同步设计方法的本质在于； 所有模块共享一个全局时钟信号。 异步电路没有统一的全局时钟信号，取而代之的是模块与模块间的握手信号， 可以用来进行模块问的同步和通信。所以异步电路在原理和设计方法上和同步电 路有许多区别。 异步电路是设计g a l s 系统的基础，因此在这章中将对异步电路及其设计 进行简单的介绍。 2 1 异步电路的分类 在门级上，异步电路按延时模型可以被分为自定时( s e l f - t i m e d ) 、速度独立 ( s p e e d - i n d e p e n d e n 0 、延时不敏感( d e l a y - i n s e n s i t i v e ) 和准延时不敏感 ( q u a s i d e l a y - i n s e n s i t i v e ) 路。 以下对这几种分类进行具体说明： ( 1 ) 速度独立型 图2 1 存在门和线延时的电路模型 速度独立型电路是一种比较理想的情况，如图2 1 所示，当门延时d a 、d b 、 d c 是有界但不确定的延时，而线延时d l = d 2 - - d 3 = 0 时，电路仍然能正确的运行。 因此，当门延时为有界不确定值而线延时可以忽略不计时，可以正确的运作，这 样的电路模型被称为速度独立电路。 应该注意的是，如果d 2 = d 3 0 时，可以将d 2 、d 3 算在d b 、d c 中，这样的电 路在理论上还是可以看成是速度独立型的。 在实际的电路中，速度独立电路是很少的，因为实际电路中的线延时总是存 在的。 ( 2 ) 延时不敏感型 同样参照图2 1 ，当门延时d a 、d b 、d c 有界不确定，d 1 、d 2 、d 3 也有界不确 定时，此电路是延时不敏感电路。因此，当门延时和线延时都为有界不确定值时， 6 s o c 异步互联技术研究 电路仍然可以正确的运作，这样的电路模型被称为延时不敏感型电路。 显然，这类电路是很健壮的。不幸的是，延时不敏感型电路是很少的，只有 用c 单元和取反门组合出的电路是延时不敏感电路。 ( 3 ) 准延时不敏感型 这是延时不敏感的特殊情况，电路中有一些等同的线分叉，如图2 1 中d 2 = d 3 0 而其他延时是有界不确定的。这样的线分叉被称为等时线，因为信号在同一时刻 于两线端点处变换。 ( 4 ) 自定时型 以上3 种电路都是根据数学模型在门延时和线延时模型下定义的，而那些功 能正确但基于更精致工程时间模型的电路被称为自定时电路。 2 2 握手协议 ( 1 ) 数据包协议( b u n d l e d - d a t ap r o t o c o l s ，也称单轨握手协议) 这里“数据包”指数据信号用b o o l e a n 信号编码，而分开的请求信号和响应信号 和数据信号捆绑在一起，如图2 1 所示 图2 1 数据包信道 在四相握手协议中，请求和响应信号同样用b o o l e a n 信号编码，四相是指：( 如 图2 2 所示) 乱发送者发送数据并置r c q 为高。 b 接收者接收数据并置a c k 为高。 c 发送者置r e x l 为低来响应。 d 接收者置a c k 为低来响应。 r e q 一嗣一厂 a c k 1 ：p 相厂 d a t a 二) 臼 二二 图2 2 四相握手协议 虽然四相握手协议对设计者很熟悉，但它有自己的缺点，浪费时间和电能。 二相握手协议( 如图2 3 所示) 可以解决上述问题。 在二相握手协议中，信号1 - 0 和0 - 1 的变化被看作是一样的，都表示个信 号事件。所以二相握手协议电路的速度比四相握手协议快，但其实现电路较为复 第二章异步电路及其设计原理 7 杂o r e q 打 触p ：、 广 d a t a = ) = = 习 = 二 图2 3 二相握手协议 ( 2 ) 四相双轨握手协议 四相双轨握手协议是指将r e q 信号和数据编在一起，每比特信号用两条信号线 表示，而a e k 信号用一根信号表示。( 如图2 4 所示) 图2 4 四相双轨握手协议 如果原来的信号用d 表示，则在此协议中用d t 表示逻辑1 ，用d f 表示逻辑0 。 由d t 和d f 可以组合出4 种情况， d t , d d = o ，o ) 表示没有数据； d t , d f ，= 1 ，o ) 表 示数据1 ； d t , d f = o ，1 ) 表示数据o ； d t , d f ) = 1 ，1 ) 没有定义，即表示数据无效。( 如 图2 5 所示) 图2 5 双轨的数据表不 在实际的传输过程中，随着a c k 信号的变化，数据由在无效( e m p t y ) 和有效( v a l i d ) 之间轮流变化：( 如图2 6 所示) 乱发送者发送一对有效的编码。 b 接收者接收编码并置a c k 为高。 c 发送者回应空编码。 d 接收者接收编码并置a e k 为低。 d a t a d 上蚺亘瓢覃疆班 a o k 一干马厂 图2 6 时序图 如果是n b i t 的信道，接收者会看见空编码，一些序列的中间编码和一个最终 的有效编码。在接收和响应编码后，接收者会看见一些序列的中间编码，最终变 为空编码，接收方置a e k 为低来响应。( 如图2 7 所示) s o c 异步互联技术研究 l v a l i d d a t a a l l e m p l y a c k n o w k d g e ： 图2 7n - b i t 的四相双孰握手 ( 3 ) 二相双轨握手协议 协议同样用 d t , d f ) 来表示一个b i t ，不过信号被编码成转换。当n 对信号中每对 中的一个信号变化时，一个n - b i t 的信号被接收。此协议没有空值，每个有效值被 一个a c k 的变换响应。( 如图2 8 所示) d 1 t d ，j d o d o f a c k 0 1 图2 8 二相双轨握手协议 2 3 握手电路的实现 ( 1 ) c 单元简介 在同步电路中全局时钟保证了信号在离散时间上的稳定和有效，因为在时钟 周期内，信号可能会出现危险和许多变换。这些危险和变换在系统功能的角度看 是正确的。然而在异步系统中，这些现象应该被避免，因为在异步电路中必须保 证信号在每一个时刻都是有效的，并且每个信号变换都是有意义的。所以在异步 电路中出现的危险和竞争都必须避免。 例如，考虑一个0 1 门，如果其输出为1 - 0 则表示现在两个o r 门的两个输入 都变为0 了；然而当其输出为o 1 时却不能肯定o f 门的两个输入的情况。a n d 门 同样会出现类似的情况，这样的情况可能会产生危险，所以应该避免。 c 单元是一个可以避免上述不确定情况的电路组件，其符号图、电路实现和逻 辑功能如图2 9 所示。可以知道，当c 单元输出是1 - 0 时，其两个输入都是0 ； 而当c 单元输出是0 - 1 时，两个输入都是1 ；其他情况下c 单元的输出不变。 第二章异步电路及其设计原理 9 a b y 图2 9c 单元的符号图、电路实现和逻辑功能表 由逻辑功能表可以得出：y - = a b + y ( a + b ) 或i f a = bt h e ny = a 。 ( 2 ) m u u e r 管道 图2 1 0 所示电路由c 单元和取反门组成，这就是著名的m u l l e r 管道。e h 第一 节异步电路的分类可知m u l l e r 管道是延时不敏感电路，即无论门延时和线延时是 多少，电路的功能总是正确的。因此，这样的电路是不会出现危险的。 c 争1 lc 稼c 渺l 图2 1 0 m u l l e r 管道 由图2 1 0 可知道m u l l e r 管道很像同步系统中的全局时钟，只不过其采样信号 不是时钟的上升沿或下降沿，而是m u l l e r 管道送出的控制信号c i l 】、c 团、c i + l 】 的上升沿或下降沿。然而其中的控制信号又是由r e q 和a c k 信号在完成握手的同时 送出的，所以在m u l l e r 管道中用异步握手信号取代了同步全局时钟信号。 其中c i - 1 】、c 【i 】、c i + q 信号的关系r h 图2 1 1 所示： 羔c 州i 牛c l i + 1 1t h e n e 臻一lc i 一1 】 图2 1 1 控制信号c 的关系 由上图可得第i 个c 单元有这样的性质：当这个c 单元的前一个c 单元和后 一个c 单元状态不等时，第i 个c 单元变为它后一个c 单元的状态。可以直观地 1 0 s o c 异步互联技术研究 把这个过程想象成一个波浪在向前传播，这样c 单元产生地控制信号就可以不断 地向前传播了。 根据握手协议的不同，m u l l e r 管道的实现也是不同的，可以分成以下几种情 况： ( a ) 四相单轨握手协议的m u l l e r 管道 用四相单轨协议握手的m u l l e r 管道的实现如图2 1 2 所示。 专j r 0 a 斗巡( = = ) 一-斗心( = = ) 一-斟、挈 - 之 ， 专 狮 阁e 习南肌 ：n d 自妇 l 品函il5 阿邓嚣fl 斤 昌树h = = = 寺 l a t e l l f 图2 1 2 四相单轨协议握手的m u l l e r 管道 r e q 和a c k 之间采用四相单轨握手协议，当a c k 为0 而r e q 保持为1 的时候， e l l 为1 ，则对应的l a t c h 打开。随后在接下来的异步组合电路中完成设计所规定的 逻辑功能。因为不同的异步组合电路模块完成工作的时间不同，在相对应的m u l l e r 管道中应该设置时间同等的延时电路，这样数据和控制握手信号才能同步。所以 在图2 1 2 的电路中用到了延时电路。 ( b ) 二相单轨握手协议的m u l l e r 管道 图2 1 3 所示是二相单轨握手协议的m u l l e r 管道的实现电路。 图2 1 3 二相单轨握手协议的m u l l e r 管道 r e q 和a e k 之间采用二相单轨握手协议，当变换到o = p = o 或e = p = l 时l a t c h 打 开。上图中并没有加入异步逻辑组合单元，不然也同样需要在m u l l e r 管道中加入 延时器件。 与采用四相单轨握手协议的m u l l e r 管道比较，二相单轨握手协议的m u l l e r 管 道实现比较复杂( 需要设计专门的l a t c h ) ，但是二相单轨协议速度较快。因此，在选 择具体实现电路之前，设计者需要考虑哪个因素对设计比较重要。 ( c ) 四相双轨握手协议的m u l l e r 管道 第二章异步电路及其设计原理 图2 1 4 所示是四相双轨握手协议的m u l l e r 管道的实现电路。 a c k d t d f 一 、j 一1 一 1 i 一q i n h 1nh ， iu 州u 州fu 州 l r ：、r l nr l jl 厂：、厂l _ j l yl 二，l y a c i d t d f 图2 1 4 四相双轨握手协议的m u l l e r 管道 可以从图2 1 4 看到r e q 信号用 d t ，d f 两根信号的组合表示，其表示方式在第 二节的握手协议中曾经提到过。假设c 单元的初始值为0 ，当r e q = 0 ( d t - - 0 , d f = - o 而a c k - - 0 时，a c k 将会变成l ，此时上下c 单元的状态分别为0 ，1 ；而当 r e q = l ( d t = l ，d f - - 0 ) 而a c k = l 时，此时上下c 单元的状态分别为0 ，0 ，a c k 将变成0 。 这样就可以完成四相双轨握手协议了。 在前面的第二节中，曾经提到n - b i t 的四相双轨握手协议，其中要求判断双轨 数据为空和有效的情况。因此，在双轨m u l l e r 管道的实现电路中需要有判定电路。 ( 如图2 1 5 所示) 图2 1 5 双轨有效性判定电路 当每对信号为 0 ，1 ) 或 1 ，0 ) 时，表示目前的数据是有效的，这时左侧的与门就 会置1 ，表示所有数据有效；当每对信号为 0 ，o ) 时，表示目前的数据是空的，这 时右侧的与非门就会置0 ，表示所有数据都是空。这样电路就可以判断出何时双轨 上表示的数据有效了。 ( 3 ) f o r k 的实现 f o r kt c ：“c 鬟 。出，一c 墨”c 芸 岭2 t 一固= 磺，一回= 燃 ( )曲) “) 图2 1 6 ( a ) f o r k 的符号标志( b ) 四相单轨的实现( c ) 四相双轨的实现 图2 1 6 所示为f b r k 的符号表示、四相单轨协议的实现和四相双轨协议的实现。 从f o r k 的符号表示可以知道f o r k 的功能是将信号x 分为相同的信号y 、z 。在实现 s o c 异步互联技术研究 方式上，四相单轨协议对数据x 和r e q 信号只是简单地分成了两个相同的信号，而 仅当y 、z 的a c k 同时为0 或1 时才会影响x 的a c k 。在四相双轨握手协议的实现 方式上，因为双轨信号x 包含了r e x l ，所以只要将x t 和x f 分成两个相同的信号y t 、 z t 和y f 、z f 就可以了，a c k 信号的产生方式则不变。 ( 4 ) j o i n 的实现 l t - f q 1 z y - “。一 p x - , 4 q = = = 弘z o e q ，- - - - y - _ _ _ - - - - - - _ _ _ - - _ _ 。i c b ) y ，t t = = = = = = 戮 “) 图2 1 7 ( a ) j o i n 的符号标志四相单轨的实现( c ) 四相双轨的实现 图2 1 7 所示为j o i n 的符号表示、四相单轨协议的实现和四相双轨协议的实现。 从j o i n 的符号表示可以知道j o i n 的功能是将信号x 、y 合并为信号z ( 包含z o 、z 1 ) 。 在四相单轨协议的实现方式上，x r e x l 和y - r e q 经过一个c 单元得到z * r e q 。而在四 相双轨协议的实现方式上，因为r e q 信号包含在x 和y 中，所以直接将x - z o 、y - z l 即可。 ( 5 ) m e r g e 的实现 m e 玛e o q 龇 z l ， t do )( c 】 图2 1 8 ( a ) m e r g e 的符号标志( b ) 四相单轨的实现( c ) 四相双轨的实现 图2 1 8 所示为m e r g e 的符号表示、四相单轨协议的实现和四相双轨协议的实 现。从m e r g e 的符号表示可以知道m e r g e 的功能是将信号x 、y 合并为信号z 。在 四相单轨协议的实现方式上，由x - r e q 和y - r e q 选择z = x 还是z = y ；z 删= x r e qo r 弘r e q ； x a c k 是x r 和z - a c k 经过一个c 单元得到的，y - a c k 的情况类似。在四相双轨协 议的实现方式上，z t = x to ry t ，z f = x f o ry f ix - a c k 是z - a c k 和x to rx f 的经过c 单元得到的，y - a c k 的情况类似。因为x - r e x l 和y - m q 包含在x 、y 中，所以不用再 单独考虑了。 m e r g e 与j o i n 的区别在于：m e r g e 将x 、y 合并成位数相同的信号z ；而j o i n 简单地将x 、y 合并成一个位数是原来两倍的信号z 。 ( 6 ) m u x 的实现 咖串 第二章异步电路及其设计原理 g y m u x x a 嚏 x - f l z _ a c k z - l l 蹦fe u t c t l a 吐 ( )( b ) 图2 ，1 9 ( a ) m u x 的符号标志嘞四相单孰的实现 图2 1 9 所示为m u x 的符号表示、四相单轨协议的实现。从m u x 的符号表示 可以知道m u x 的功能是根据c t l 信号从x 、y 信号中选择一个给z 。根据其四相单 轨协议的实现电路，可以知道c t l 是双轨选择信号，由c t l f 和c t l t 来决定z 、z - r e q 和z - a e k 的结果。 m u x 在异步电路中的作用有点像同步电路中的多路选择器。 ( 7 ) d e m u x 的实现 x d e m l l x ) ta c k y zx 嘲 翻j 曲j a l _ a 咄 ( ) 西) 图2 2 0 ( a ) d e m u x 的符号标志四相单轨的实现 图2 2 0 所示为d e m u x 的符号表示、四相单轨协议的实现。从d e m u x 的符号 表示可以知道d e m u x 的功能是根据c t l 信号将z 送到x 、y 信号中的一个。根据其 四相单轨协议的实现电路，可以知道c t l 是双轨选择信号，由c u f 和c t l t 来决定x 、 x - r e q 和x a c k 送给y 还是z 。 d e m u x 和m u x 的作用相反，将一个信号选择送给多个信号中的一个。 ( 8 ) m u t u a le x c l u s i o n 的实现 破嘲 ，y 纠 z 础咄 嘲 嗽 p 严 纠 y ： 1 4 s o c 异步互联技术研究 r r 2 r l g t g 2 勉 ( 1 ) 岛) 图2 2 1 ( a ) m u t e x 的符号( b ) 一种实现 如图2 2 1 所示，( a ) 表示了m u t e x 的符号， 是m u t e x 的一种实现电路。m u t e x 单元的功能是：若r 1 、r 2 都为0 ，则g 1 、g 2 也为o ；若r 1 、r 2 中有一个先为1 ， 则对应的g l 或g 2 也为1 ；若r 1 、r 2 同时为i ，则g 1 、g 2 保持为0 ，知道r l 、 r 2 只有个为1 ，对应的g 1 或g 2 也为1 。 由电路的实现可知，当r l 或p , 2 中的一个输入为1 后，则对应的x 1 或x 2 会 阻塞另一个输入，直到此输入为0 。需要注意的是最后一种情况，当r i 、r 2 同时 为l 时电路不稳定，x 1 和) 【2 处于高电平和低电平之间，这时不稳定过滤器使g l 、 g 2 的输出保持为o 。 f 9 ) a r b i t r a t i o n 的实现 刖 砌 2 r 船 舶 慰 舵 ， “) m ) 图2 2 2 ( a ) a r b i t e r 的符号( b ) 一种实现 如图2 2 2 所示，【a ) 表示了a r b i t e r 的符号，( b ) 是a r b i t e r 的一种实现电路。a r b i t e r 单元的功能是用来裁决两个或多个握手信号。 在其实现方式中，用到了m u t e x 单元，从而保证了先到来韵r e q 信号先得到响 应，这样就实现了a r b i t e r 单元的裁决功能。 2 4 异步握手的s t g 模型表示 在s p e e d - i n d e p e n d e n t 控制电路的规范和综合中，这些电路信号的运行规则通 常用信号转换图( s i g n a lt r a n s i t i o ng r a p h 简称s t g ) 来表示。s t g 是一种p c t r i 网， 它可以被看成是一个时序图。 n 1p e t r i 网简介 p e t r i 网是一个由单向边( a r c s ) 和两种节点( t r a n s i t i o n s 和p l a c e s 节点) 组成的 图。利用对t r a n s i t i o n s 、p l a c e s 和a r c s 的解释可以建立和分析许多并行系统的行为。 第二章异步电路及其设计原理 下面举例说明p e t r i 网在异步电路中的应用： m n e t 图2 2 3 二输入c 单元的p e t r i 网表示 图2 2 3 给出了能描述二输入c 单元的p e t r i 网表示图。其中的a 和b 分别是c 单元的输入信号，c 是其输出信号。a + 、a 、b + 、b - 、c + 、c 分别是p e l r i 网中信号 的t r a n s i t i o n s ，圆圈代表p l a c e s ，圆圈中的实心点代表m a r k s ，而单向边代表m a r k s 的 运动方向。 上图现在给出的是c 单元的初时状态，此时a = b = 0 。当a + 后a = l ，此时a + 上方 的m a r k 移动到a + 下方的p l a c e 中；同样当b + 后b = l ，此时b + 上方的m a r k 移动到b + 下方的p l a c e 中。当2 个m a r k s 都移动到a + 、b + 下面，则c + 导致e = l ，从而这2 个 m a r k s 移动到a - 、b 的上方。当a - 后a = 0 ，此时a 上方的m a r k 移动到a _ 下方的p l a c e 中；同样当b 后b - - - 0 ，此时b 上方的m a r k 移动到b 下方的p l a c e 中。当2 个m a r k s 都移动到a 、b - 下面，则c - 导致c = 0 ，从而这2 个m a r k s 移动到a + 、b + 的上方，这样 又回到了c 单元的初时状态。因此，这样的过程描述了信号a , b 、c 之间c = 州a + b ) 的变换规律，很好地为二输入c 单元进行了建模。 因此可见，p e t r i 网可以很好地对异步系统进行建模，描述异步信号的变化规 律。 ( 2 ) s t g 简介 1 6 s o c 异步互联技术研究 a b o t r u i n ga a g r a m s 7 g ( )西】 图2 2 “a ) 时序图彻二输入c 单元的s t g 表示 在上图( a ) 的时序图中，当a + b + 后c + ，而a - b 后c - ，此时序图描述了c 单元的行 为。上图( b ) 是c 单元的s t g 表示，其形式很类似于c 单元的p e t a l 网表示。它们 之间的区别是：在s t g 中p l a c e s 去掉了，s t g 中的m a r k s 的移动和p e 仃i 网中的移 动类似，因此s t g 可以看成是p e t r i 网的简化表现形。 可以归纳出s t g 和p e t r i 网的关系，一个s t g 是有以下性质的p e 仃i 网： ( a ) 输入自由选择。输入候选信号必须由m t t t e x 单元控制。 ( b ) 上界l 。一个p l a c e 中不能有超过一个的t o k e n 。 ( c ) 活性。s t g 必须没有死锁。 用s t g 描述的s p e e d i n d e p e n d e n t 电路满足以下性质： ( a ) 一致状态分配。s t g 中每一个信号的转换必须交替地变高和变低。 ( b ) 持续性。如果一个信号能变换，它必须变换。例如，此信号不能由于其他 信号的变换面取消变换。s t g 标准必须保证电路的内部和外部信号的持续性。 ( c ) 完全状态编码。两个或两个以上的s t g 状态不能有完全相同的信号值。如 果不能满足这点，就需要引入额外的状态信号来消除多个状态有相同信号值的情 况。 s t g 不仅被用来表示一个的异步电路，而且能够作为某些工具p e t r i y 等的综 合算法输入，在下面一节中将对异步电路的综合工具进行简单介绍。 2 5 综合工具简介 在同步电路设计方面，工业界已经大规模地利用相关的成熟e d a 工具对同步 设计进行电路描述、器件布局、仿真测试等。在异步电路设计方面，虽然工业界 相关的e d a 工具不多，但是在一些大学和公司实验室中已经开发了简单的异步综 合e d a 工具。 目前，异步电路设计的综合工具主要分为两种，一种是以s t g 为输入对异步 第二章异步电路及其设计原理 1 7 电路的控制信号关系进行综合，从而得出符合s t g 的异步控制电路，这种方法适 合综合较小规模的异步控制电路；另一种是以类c s p ( c o m m u n i e a t i n gs e q u e n t i a l p r o c e s s e s ) 语言为描述方式的高层综合工具。c s p 是用来描述并发系统的语言，用 类c s p 语言描述异步电路有点像用v e r i l o g 、v h d l 描